Nghiên cứu ảnh hưởng của topography đá mài và một số thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng

- Xác định các quan hệ giữa thông số công nghệ và thông số đặc trưng cho topography đá mài với độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng, giúp các nhà công nghệ lựa chọn bộ thông số công ngh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Văn Thiện

NGHI N CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TOPOGRAPH ĐÁ MÀI VÀ MỘT S TH NG S C NG NGH Đ N ĐỘ NHÁM B M T CHI

TI T KHI MÀI PH NG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Văn Thiện

NGHI N CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TOPOGRAPH ĐÁ MÀI VÀ MỘT S TH NG S C NG NGH Đ N ĐỘ NHÁM B M T CHI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Huy Ninh và GS.TS Trần Văn Địch Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

PGS.TS Nguyễn Huy Ninh GS.TS Trần Văn Địch Nguyễn Văn Thiện

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận án của mình Để có được kết quả này, ngoài sự nỗ lực, tìm tòi, học hỏi, nghiên cứu của bản thân, tôi luôn nhận được sự ủng hộ của các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi được học tập và nghiên cứu trong suốt khóa học Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt, là Tập thể hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Địch và PGS.TS Nguyễn Huy Ninh đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện

đề tài

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã luôn tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài

Hà Nội, ngày 06 tháng 02 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Văn Thiện

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết khi mài - 34 -

-Chương 2 TOPOGRAPHY B M T ĐÁ MÀI VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ

Đ N ĐỘ NHÁM B M T CHI TI T KHI MÀI - 46 -

2.1.2 Mặt phẳng chuẩn dùng để xử lý, phân tích bề mặt - 46 -

2.1.4 Sự thay đổi topography của đá trong quá trình mài - 51 -

-2.2.1 Ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của đá mài và mòn đá - 52 -

2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA TOPOGRAPHY ĐÁ MÀI ĐẾN ĐỘ NHÁM

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ ĐÁNH GIÁ TOPOGRAPHY BỀ MẶT ĐÁ MÀI 61

-Chương 4 NGHI N CỨU THỰC NGHI M VÀ XỬ LÝ K T QUẢ - 89 -

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Sq Căn bậc hai của sai lệch trung bình bình phương mm

Ssk Độ lệch phân bố chiều cao bề mặt

Sku Kurtosis Độ nhọn bề mặt đá

Sds Mật độ các đỉnh của bề mặt

Str T lệ dạng nhấp nhô của bề mặt

Std Hướng dạng nhấp nhô của bề mặt

Sq Độ dốc căn trung bình bình phương bề mặt

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

5 Bảng 3.2 Kết quả đo thông số đặc trƣng topography bề mặt đá mài

7 Bảng 4.2 Bảng quy hoạch thực nghiệm cho chế độ sửa đá 90

9 Bảng 4.4 Kết quả thực nghiệm với các chế độ sửa đá thay đổi 91

10 Bảng 4.5 Kết quả thực nghiệm với chế độ cắt thay đổi 92

11 Bảng 4.6 Giá trị tính toán của các biến hồi quy thực nghiệm 94

12 Bảng 4.7 Giá trị tính toán của các biến hồi quy thực nghiệm 94

13 Bảng 4.8 Giá trị tính toán của các biến hồi quy thực nghiệm 95

14 Bảng 4.9 Giá trị tính toán của các biến hồi quy thực nghiệm 97

15 Bảng 4.10 Số liệu xử lý kết quả đo tại thời điểm  = 1 phút 99

16 Bảng 4.11 Giá trị tính toán của các biến hồi quy thực nghiệm 99

17 Bảng 4.12 Số liệu xử lý kết quả đo rung tại thời điểm  = 1 phút 105

18 Bảng 4.13 Giá trị tính toán của các biến hồi quy thực nghiệm 105

19 Bảng 4.14 Số liệu xử lý kết quả đo độ nhám tại thời điểm  = 1 phút 108

20 Bảng 4.15 Giá trị tính toán của các biến hồi quy thực nghiệm 109

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

4 Hình 1.4 Sự phân bố năng lượng và dòng nhiệt trong quá trình cắt 15

7 Hình 1.7 Chiều dài cung tiếp xúc của các phương pháp mài 19

9 Hình 1.9 Sơ đồ mô tả các giai đoạn làm việc của hạt mài khi mài 21

10 Hình 1.10 Mối quan hệ giữa các lực thành phần khi mài phẳng 22

11 Hình 1.11 Ký hiệu đá mài với hạt mài ôxít nhôm và các-bít Silic

13 Hình 1.13 Mối quan hệ giữa lượng mòn dao với thời gian cắt 28

17 Hình 1.17 Mô hình mô tả độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài 33

18 Hình 1.18 Mô hình tính toán độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài 35

20 Hình 1.20 Ảnh hưởng của góc  khi sửa đá tới độ nhám khi mài

21 Hình 1.21 Sơ đồ mô tả quan hệ của độ nhám và lượng bóc kim loại

22 Hình 1.22 Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến nhấp nhô tế vi bề mặt 38

25 Hình 2.3 Định nghĩa của hướng dạng nhấp nhô của bề mặt 49

28 Hình 2.6 Sự thay đổi tình trạng của bề mặt đá mài do ảnh hưởng

30 Hình 2.8 Hạt mài và chất kết dính bị gãy vỡ khi sửa đá 54

32 Hình 2.10 Ảnh hưởng của sửa đá mài và thể tích cắt đến

33 Hình 2.11 Mô tả ảnh hưởng của dụng cụ sửa đá trên một hạt mài 56

34 Hình 2.12 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến các đại lượng đặc trưng

35 Hình 2.13 Độ mòn cạnh đá tăng lên khi thể tích cắt theo thời gian

TT Số hình Nội dung Trang

36 Hình 2.14 Diện tích mòn cạnh đá phụ thuộc vào chiều sâu cắt và

tốc độ chi tiết khi mài với các vật liệu chi tiết khác nhau 57

37 Hình 2.15 Độ nhấp nhô tế vi bề mặt phụ thuộc vào độ hạt 58

38 Hình 2.16 Mô tả ảnh hưởng của độ hạt đến độ nhám bề mặt bằng

40 Hình 2.18 Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết với độ cứng đá

41 Hình 2.19 Quan hệ độ nhám bề mặt chi tiết với độ cứng đá mài với

42 Hình 2.20 Bề mặt chi tiết sau khi mài bằng đá mài Al2O3 60

43 Hình 2.21 Các hạt mài găm trên bề mặt chi tiết sau khi mài 60

44 Hình 2.22 Hốc lõm do mảnh hạt mài vỡ găm trên bề mặt chi tiết

47 Hình 2.25 Biểu thị mật độ điểm cắt so với chiều sâu hướng kính

50 Hình 2.28 Mô tả quét trên bề mặt chi tiết đo sử dụng hệ quang 66

51 Hình 2.29 topography của bề mặt đá và biên dạng 2D của bề mặt 66

57 Hình 3.6 Ảnh chụp thiết bị đo rung và giao diện phần mềm đo 72

58 Hình 3.7 Chương trình phần mềm Matlab xử lý số liệu đo

59 Hình 3.8 Giao diện của phần mềm Matlab xử lý dữ liệu đo

61 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý đo topography của bề mặt đá mài 74

63 Hình 3.12 Bản vẽ lắp và phân rã cụm chuyển động quay đá mài 76

64 Hình 3.13 Sơ đồ động chuyển động tịnh tiến dọc trục của đầu đo 76

65 Hình 3.14 Bản vẽ lắp cụm chuyển động tịnh tiến đầu đo và thiết bị

68 Hình 3.17 Ảnh chụp thiết bị đo topography trên máy mài ATC –

70 Hình 3.19 Thông số đặc trưng và bề mặt 3D của topography đá

TT Số hình Nội dung Trang

71 Hình 3.20 Thông số đặc trưng, bề mặt 3D và profin của

72 Hình 3.21 Quan sát profin của đá mài tại các dải đo 10, 50 80

73 Hình 3.223.24 Hộp hội thoại kết nối và cài đặt LAN-XI 81

81 Hình 3.343.35 Kết quả đo rung động theo 3 phương trên máy mài

85 Hình 4.2 Đồ thị quan hệ chế độ sửa đá Ssđ,tsđ với các thông số

đặc trưng của topography (Sz, Sq, Ssk đá mài WA60K 95

86 Hình 4.3 Đồ thị quan hệ độ nhám bề mặt chi tiết vớichiều cao

87 Hình 4.4 Đồ thị quan hệ chế độ sửa đá Ssđ,tsđ với độ nhám bề

88 Hình 4.5÷4.11 Đồ thị quan hệ chế độ cắt với chiều cao nhấp nhô trung

bình bề mặt đá mài tại thời điểm mài 130 phút 99

90 Hình 4.194.25 Đồ thị quan hệ chế độ cắt Vph,t với biên độ rung động

91 Hình 4.264.32 Đồ thị quan hệ chế độ cắt Vph,t độ nhám bề mặt Rz)

92 Hình 4.33 4.37 Quan hệ chiều cao nhấp nhô trung bình bề mặt Sz),

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong xã hội hiện đại, cạnh tranh trong môi trường sản xuất trên thế giới ngày càng khốc liệt và không thể dừng lại thời đại siêu cạnh tranh Các hoạt động kinh doanh mới, sản phẩm mới liên tục xuất hiện, hình thành nên thị trường mới Để tồn tại trong môi trường cạnh tranh khốc liệt đó, điều quan trọng nhất là không ngừng đổi mới sản xuất

Nền tảng của sản xuất là chất lượng, giá thành, thời gian giao hàng, tốc độ và an toàn Như vậy, chất lượng sản phẩm được coi là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến nền tảng của quá trình sản xuất và sự sống còn trong môi trường sản xuất cạnh tranh khốc liệt Việc nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm luôn luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu của ngành công nghệ chế tạo máy, nhằm tạo ra các sản phẩm, máy móc thiết

bị đạt độ chính xác cao, bền lâu và đảm bảo hiệu quả kinh tế - kỹ thuật

Chất lượng sản phẩm chế tạo máy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố gia công đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là giai đoạn gia công tinh mà trong đó chủ yếu sử dụng công nghệ mài, bởi vì mài tạo ra được các chi tiết máy có độ chính xác cao, chất lượng bề mặt cao và gia công được các loại vật liệu có cơ tính cao mà các phương pháp gia công khác khó hoặc không thực hiện được

Việc mài được thực hiện bằng số lượng lớn các hạt mài lưỡi cắt phân bố ngẫu nhiên trên bề mặt làm việc của đá mài hình thành topography của đá Trước kia, người ta chưa có điều kiện nghiên cứu, đánh giá đặc trưng của topography bề mặt đá mài, nên hầu hết các nghiên cứu về chất lượng bề mặt gia công khi mài đều tập trung vào việc tìm quan

hệ giữa nó với chế độ cắt

Gần đây, nhờ sự phát triển của kỹ thuật đo 3D, chúng ta có điều kiện đánh giá các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt gia công trong quá trình mài Do đó việc nghiên cứu topography của đá mài và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt chi tiết để điều khiển, kiểm soát quá trình mài, góp phần nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí là

vấn đề cấp thiết Để giải quyết vấn đề đó, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của topography đá mài và một số thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng”

2 Mục đích nghiên cứu

- Đề xuất các chỉ tiêu đánh giá topography đá mài, tiêu chí đánh giá tuổi bền của đá mài

- Xác định các quan hệ giữa thông số công nghệ và thông số đặc trưng cho topography đá mài với độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng, giúp các nhà công nghệ lựa chọn bộ thông

số công nghệ hợp lý nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm trong điều kiện công nghệ cụ thể Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, ứng dụng để điều khiển chế độ sửa đá, điều khiển chế độ cắt tạo ra và duy trì topography phù hợp, cải thiện tính cắt gọt của đá mài, kéo dài tuổi bền của đá, tiến tới điều khiển tự động và điều khiển thích nghi quá trình mài

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về quá trình mài, các công trình nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước

- Tìm hiểu khái niệm về topography, các thông số đặc trưng cho topography đá mài, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến topography đá mài và ảnh hưởng của topography đá mài đến

độ nhám bề mặt chi tiết gia công

- Xây dựng phương pháp đo, thiết bị đo topograph đá mài, thiết kế và chế tạo thiết bị Nghiên cứu thiết bị đo rung động trong quá trình mài

- Nghiên cứu xác định quan hệ giữa chế độ sửa đá, chế độ cắt với topography đá mài và quan hệ giữa thông số đặc trưng cho topography đá mài với độ nhám bề mặt của chi tiết gia công Nghiên cứu rung động xuất hiện trong quá trình mài nhằm làm sáng tỏ ảnh hưởng của topography bề mặt đá đến độ nhám bề mặt chi tiết mài

- Phân tích, đánh giá và so sánh kết quả, đề xuất tiêu chí đánh giá topography đá mài, tiêu chí đánh giá tuổi bền đá, giới thiệu bộ thông số công nghệ hợp lý, khuyến cáo khoảng thời gian sửa đá và chiều sâu sửa đá phù hợp

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu đo topography của hai loại đá mài Ô-xyt nhôm: WA36Kx60x18x32 và WA60Kx150x13x32

- Nghiên cứu ảnh hưởng của topography đá mài WA60Kx150x13x32 và một số thông số công nghệ Vph, t đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng thép 45 trên mô hình máy mài sắc dụng cụ ATC-40M

- Những kết quả và phương pháp nghiên cứu đạt được sẽ vận dụng trong các quá trình nghiên cứu và áp dụng trong thực tiễn khi mài các vật liệu khác nhau, trên các loại máy mài khác nhau

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết về quá trình mài qua các tài liệu: sách, bài báo, luận án Tổng hợp

và phân tích những công trình nghiên cứu đã công bố của các tác giả trong và ngoài nước

về vấn đề mài

- Nghiên cứu thực nghiệm: xây dựng các mô hình thực nghiệm đo topography đá mài, đo rung động trong quá trình mài Tiến hành thực nghiệm xác định quan hệ giữa các thông số công nghệ, thông số đặc trưng cho topography đá mài với độ nhám bề mặt chi tiết gia công Đánh giá và so sánh kết quả thực nghiệm

- Quá trình nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật tiên tiến, các phần mềm chuyên dụng để đo, phân tích và xử lý kết quả thực nghiệm: kỹ thuật đo LASER, kỹ thuật đo 3D, kỹ thuật đo gia tốc, phần mềm Smartmonitor.ver2.0, phần mềm đo và phân tích dữ liệu PULSE FFT

7770, phần mềm Matlab R2011a, phần mềm MSTATw324.0, phần mềm CurveExpert Professional

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Dùng nghiên cứu thực nghiệm để làm sáng tỏ các quy luật cơ lý của quá trình mài, góp phần làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết về mài

- Giới thiệu khái niệm topography bề mặt đá mài, đề xuất các chỉ tiêu đánh giá topography của đá mài và chỉ tiêu đánh giá tuổi bền đá mài Nghiên cứu ảnh hưởng của topography đá mài đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi mài phẳng bằng các điều kiện công nghệ cụ thể

- Xây dựng quan hệ giữa các thông số công nghệ và thông số đặc trưng cho topography đá mài với độ nhám bề mặt chi tiết gia công

- Việc thiết kế, tính toán thiết bị đo sử dụng các kỹ thuật tiên tiến, các phần mềm chuyên dụng, thiết bị thí nghiệm làm việc ổn định và độ tin cậy cao

- Kết quả nghiên cứu được dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu, làm cơ

sở cho các nghiên cứu tiếp theo và ứng dụng vào thực tế sản xuất: xác định được thời điểm cần sửa đá và chiều sâu sửa đá hợp lý, khuyến cáo nhà công nghệ chọn chế độ cắt hợp lý

7 Cấu trúc của luận án

Kết cấu của luận án gồm 4 chương và phần kết luận:

- Chương 1 Tổng quan về quá trình mài

- Chương 2 Topography bề mặt đá mài và ảnh hưởng của nó đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài

- Chương 3 Xây dựng phương pháp và trang thiết bị thực nghiệm

- Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý kết quả

- Kết luận và kiến nghị

8 Các kết quả mới của luận án

- Đề xuất tiêu chí đánh giá topography của đá mài và các thông số đặc trưng cho topography đá mài

- Xây dựng được phương pháp đo và thiết bị đo topography đá mài

- Nghiên cứu xác định được quan hệ giữa chế độ sửa đá, chế độ cắt với topography đá mài Xác định quan hệ giữa topography đá mài với độ nhám bề mặt chi tiết gia công, đây là yếu

tố có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt chi tiết khi mài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI

1.1 CƠ SỞ QUÁ TRÌNH MÀI

1.1.1 Mài và các đặc điểm quá trình mài

Việc ứng dụng mài là một nguyên công gia công lần cuối, đã xuất hiện trước đây khoảng 2 triệu năm, khi những dụng cụ thời tiền sử được sản xuất bằng quá trình mài Các hạt mài tự nhiên được sử dụng cho tới những năm 1980, khi công nghiệp sản xuất hạt mài phát triển giúp các hạt mài nhân tạo có nhiều ưu điểm hơn so với hạt mài tự nhiên vì có thể khống chế lượng tạp chất trong đó, có thể điều khiển chất lượng của hạt mài trong quá trình sản xuất phù hợp với các ứng dụng mài khác nhau

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và của ngành chế tạo máy nói riêng, ngày càng có nhiều loại vật liệu mới ra đời đáp ứng các yêu cầu cao về cơ

lý tính và các tính chất đặc biệt khác, tính gia công của các loại vật liệu này rất khó gia công, đồng thời các chi tiết gia công có yêu cầu cao về chất lượng cũng như độ chính xác,

do vậy phạm vi sử dụng của phương pháp mài ngày càng được mở rộng

Mài là một phương pháp gia công cắt gọt tốc độ cao, phối hợp nhiều chuyển động tạo hình bề mặt, quá trình cắt được thực hiện bởi một số lượng lớn các hạt mài cùng tham gia cắt gọt, trên hình 1.1 giới thiệu phương pháp mài phẳng bằng đá mài trụ, đá mài có chuyển động quay tròn, chi tiết có chuyển động tịnh tiến khứ hồi Các chuyển động chạy dao do ụ đá hoặc bàn máy thực hiện tuỳ thuộc vào kết cấu của từng loại máy sử dụng

Hình 1.1 Mài phẳng bằng đá mài trụ [2]

1- Đá mài; 2- chiều quay của đá mài; 3- bề mặt công tác của đá mài;

4-chiều chuyển động của chi tết; 5- lỗ trống; 6 - chất dính kết; 7- hạt mài

* Bản chất của quá trình mài:

Là sự cào xước tế vi bề mặt gia công bằng những hạt mài với vận tốc cao và áp lực lớn Phần làm việc của đá mài gồm lưỡi cắt của vô số các hạt mài riêng biệt, có hình dáng khác nhau, phân bố một cách ngẫu nhiên trên bề mặt chất dính kết Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của các hạt mài luôn thay đổi [20], [3]

* Đặc điểm quá trình mài:

So với các phương pháp cắt gọt bằng các dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định thì mài có một số đặc điểm sau: [1], [3], [10]

- Mài là quá trình cắt tế vi và cào xước với tốc độ cắt cao của các hạt mài trên bề mặt chi tiết gia công, tạo ra nhiều phoi vụn,

- Tốc độ cắt khi mài rất cao, thông thường Vđ = 30  35 m/s có trường hợp đến 100 m/s,

- Các lưỡi cắt không giống nhau và được sắp xếp ngẫu nhiên trên bề mặt đá do đó các vết cắt xoá lẫn nhau cho phép tạo ra độ bóng bề mặt cao,

- Hình dạng hình học của mỗi hạt mài không giống nhau, góc sắc thường lớn hơn 900(>900) góc trước thường âm (<0), do đó không thuận lợi cho quá trình cắt và thoát phoi,

- Độ cứng của hạt mài cao, do đó có thể cắt được những vật liệu cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không cắt được như: Thép đã tôi, hợp kim cứng

- Do nhiều hạt mài tham gia cắt gọt cùng một lúc, do góc trước âm (<0) và do vận tốc cắt rất lớn nên nhiệt cắt khi mài rất lớn, nhiệt độ vùng cắt có thể lên tới 1000-15000C, gây cháy phoi, sinh tia lửa,

- Quá trình cắt khi mài có tính gián đoạn, các hạt mài lần lượt vào cắt, ra cắt tạo ra các rung động,

- Các đỉnh lưỡi cắt phân bố không đều theo chiều cao, lượng dư phân bố cho các hạt mài không đều, do đó lực cắt tác động lên các hạt mài không bằng nhau,

- Nếu lực cắt quá lớn sẽ có hiện tượng hạt mài bị vỡ (tạo ra các lưỡi cắt mới) hay bị tách ra khỏi bề mặt làm việc của đá và xuất hiện lưỡi cắt của các hạt mài mới tạo ra khả năng tự mài sắc của đá mài,

- Độ chính xác đạt được khi mài thông thường là:

Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những đòi hỏi về độ chính xác và chất lượng gia công ngày một cao thì mài càng được quan tâm nghiên cứu và được

sử dụng rộng rãi hơn, [20], [16], [10]

1.1.2 Quá trình tạo phoi khi mài

Trên hình 1.2 mô tả ba giai đoạn hình thành phoi mài, giai đoạn 1 hạt mài trượt trên

bề mặt phôi, giai đoạn 2 hạt mài cày xước bề mặt phôi và giai đoạn 3 là giai đoạn tạo phoi mài

Hình 1.2 Ba giai đoạn hình thành phoi mài [39]

Để hiểu rõ bản chất của quá trình mài, cần phải phân tích quá trình tạo phoi khi mài, vì đây là cơ sở, là nguồn gốc của các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt như biến dạng, lực cắt, nhiệt cắt, rung động, tiếng ồn … Để khảo sát được vấn đề này cần phải

mô hình hóa quá trình cắt bằng hạt mài Có nhiều mô hình đã được đưa ra, dưới đây là sự quan sát tác động của một hạt mài, trong quá trình gia công hạt mài sẽ tác động vào bề mặt chi tiết gia công tạo lên một đường vạch rất nhỏ, gây ra biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi đối với vật liệu chi tiết gia công (hình 1.3) [7], [43]

Hình 1.3 Quá trình tạo phoi khi mài của một hạt mài

Trên hình 1.4 chỉ ra sự phân bố năng lượng ở bốn khu vực được chuyển đổi thành nhiệt năng Với những lưỡi cắt không sắc, có bán kính lưỡi cắt lớn sẽ tạo ra ma sát lớn trên

bề mặt chi tiết gia công Ngoài ra nhiệt còn xuất hiện trên bề mặt thoát phoi và trong quá trình tách phoi Trong quá trình gia công với dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định, phần lớn nhiệt được truyền qua phoi cắt, còn trong khi mài thì nguồn nhiệt chính lại ở lưỡi cắt và phần nhiệt chủ yếu lại truyền qua chi tiết, tại vị trí mài nhiệt độ tăng cao sẽ làm thay đổi tổ chức kim loại và hiện tượng oxy hóa trên bề mặt chi tiết gia công Bởi vậy khi mài người ta

sử dụng dung dịch bôi trơn làm mát để giảm ma sát và nhiệt độ ở khu vực cắt đồng thời giảm nhiệt độ của chi tiết gia công

Biến dạng đàn hồi

Biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi

Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và tách phoi

Phoi

Gờ

Tạo phoi

Phôi mài Hạt mài

Đá mài

Cày xước Trượt

Hình 1.4 Sự phân bố năng lượng và dòng nhiệt trong quá trình cắt [7], [43]

Như đã phân tích ở trên, mài là một quá trình rất phức tạp, các hiện tượng vật lý xảy

ra trong quá trình cắt phụ thuộc lớn vào tương tác giữa hạt mài, giữa đá mài với vật liệu gia công phôi Có thể thấy rõ các tương tác trong quá trình cắt bằng hạt mài như sau: Tương tác giữa hạt mài và phôi; Tương tác giữa phoi và chất kết dính; Tương tác giữa phoi và phôi; Tương tác giữa chất kết dính và phôi Trong đó, tương tác giữa hạt mài và phôi là quan trọng nhất, có ảnh hưởng tới toàn bộ các hiện tượng vật lí xảy ra trong quá trình gia công Các tương tác này đều có thể được kiểm soát và điều khiển thông qua các thông số như lực cắt, công suất cắt và nhiệt cắt Trong quá trình mài, mong muốn công để cắt là lớn nhất, công tiêu hao cho hiện tượng “cày” và trượt là nhỏ nhất

Tất cả các hiện tượng trên đều đúng với mọi quá trình mài, mà không phụ thuộc vào vật liệu gia công Trong bất kì quá trình mài nào cũng xảy ra đồng thời các hiện tượng đó

Do vậy, khoa học về mài cần phải nghiên cứu sự ảnh hưởng đồng thời của cả 4 thông số đầu vào: các yếu tố về máy công cụ, các yếu tố về vật liệu gia công, các yếu tố về đá mài

và các thông số công nghệ của quá trình Mục đích là để điều khiển sao cho cơ chế cắt là lớn nhất, giảm thiểu cơ chế cày và trượt, nhằm giảm lực, nhiệt cắt và rung động

Như vậy quá trình tạo phoi khi mài tuỳ thuộc vào yếu tố hình học của hạt mài Quá trình tạo phoi xảy ra trong khoảnh khắc rất nhỏ 0,001÷ 0,005 giây, tức là hầu như tức thời Tổng số lượng hạt phoi được cắt bởi một đá mài trong một đơn vị thời gian là rất lớn hàng trăm triệu hạt phoi trong một phút Bề dày của phoi rất khác nhau từ một vài micrômet đến vài phần trăm micrômet, những phoi quá nhỏ dưới tác dụng của nhiệt cao sẽ bị cháy tạo thành tia lửa khi mài Những phoi lớn hơn cùng với những phần tử hạt bị mòn của đá được dung dịch tưới nguội rửa trôi

Năng lượng cắt Năng lượng choán chỗ

Ma sát ở mặt tự do

Chi tiết

- Lưỡi cắt tĩnh: Tất cả các cạnh sắc của hạt mài nhô ra khỏi chất kết dính được gọi

là lưỡi cắt tĩnh Khoảng cách giữa hai đỉnh nhọn liên tiếp được gọi là khoảng cách lưỡi cắt tĩnh Lst Mỗi hạt mài có thể có một hoặc nhiều lưỡi cắt, S1 đến S9 là các lưỡi cắt tĩnh Mật

độ lưỡi cắt tĩnh đặc trưng cho cấu trúc hình học 3D của bề mặt đá Topography , người ta đưa ra khái niệm mật độ lưỡi cắt tĩnh Sct được xác định theo công thức:

st ct

L

Mật độ lưỡi cắt tĩnh là số lượng lưỡi cắt tĩnh trên một đơn vị chiều dài trên mặt cắt của đá Ngoài ra, người ta còn đưa ra khái niệm mật độ lưỡi cắt tĩnh trên một đơn vị diện tích bề mặt đá Nct (1/mm2 và mật độ lưỡi cắt tĩnh trên một đơn vị thể tích đá Cct (1/mm3)

- Lưỡi cắt động: Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy, chỉ một phần lưỡi cắt của hạt đá nhô ra khỏi chất dính kết tham gia cắt, các lưỡi này gọi là lưỡi cắt động

Ví dụ trên hình 1.5, thì S1, S4, S7, S9 là các lưỡi cắt động, Lsđ là khoảng cách giữa các lưỡi cắt động Mật độ lưỡi cắt động được khái niệm như lưỡi cắt tĩnh; mật độ trên một đơn vị chiều dài Scđ, trên một đơn vị diện tích bề mặt đá Ncđ và trên một đơn vị thể tích Ccđ

sđ cđ

L

S  1 (1/mm) (1.2)

Hình 1.5 Lưỡi cắt tĩnh và lưỡi cắt động [43]

1.1.3.2 Quỹ đạo cắt của hạt mài

Quá trình cắt gọt của đá mài tương tự mô hình cắt của dao phay trụ, khi đó các hạt mài chính là các răng của dao phay Trên đá mài lý tưởng, các hạt mài sắp xếp cách nhau một khoảng cách L Trên hình 1.6 nếu vận tốc cắt vs ngược chiều với vận tốc phôi vw tại vùng cắt được gọi là “mài nghịch” Đối với mài thuận, chiều sâu cắt thực tế tại vùng đá

Vw

Vs

Lsđ

mài bắt đầu tiếp xúc với chi tiết mài rất nhỏ nên dễ gây ra hiện tượng trượt, làm giảm độ chính xác gia công và gây ra rung động [23]

Lượng ăn dao bằng tích của vận tốc phôi vw với thời gian giữa các lớp cắt kế tiếp nhau (L/vs):

y

x f'

v s

v w

d 1 /2 O

b

d a

Hình 1.6 Các yếu tố của quỹ đạo cắt khi mài phẳng

Đặt một hệ toạ độ x,y có gốc tại điểm B‟ thuộc cung cắt, góc tiếp xúc là ‟ chuyển động dọc theo đường xiclôit xuất phát từ gốc toạ độ dịch theo phương x và y một khoảng:

' '

2

sin 2





s

w s s

v

v d d

) cos 1 ( 2

'

2 ) 1

s

w d v

v

4

2 '

2

s

w s

v

v d

x y



Đường này là một đường parabol Chiều dài quỹ đạo cắt l k bắt đầu tại F‟ và kết thúc tại A‟ khi tâm đá mài dịch chuyển từ O đến O‟ Bán kính cong của đường cắt parabol tại gốc ‟ =  bằng D/2, và tăng một lượng không đáng kể ‟ =  Đối với mài thuận, bán kính cong lớn hơn bán kính đá mài Còn với mài nghịch, bán kính cong nhỏ hơn bán kính

đá mài Độ không đồng tâm giữa bán kính đá mài và bán kính đường cắt R được tính như sau:

d s

1 2

) ( 4 ) ( 2

s

w s

s w s

w

v

v d

v

v v

w

v d

d

' ( ) '

1 2

2 

Thế x, y từ biểu thức 1.6 và 1.7) vào ta có:

2 ) 1 ( 6 2

) 1 (

3

s

v v

d v

v l

s w s

2 ) )(

1

1

s ad

) ( s

c

Vì lý do này, người ta không phân biệt giữa chiều dài tiếp xúc l c với chiều dài đường cắt l k

1.1.3.3 Chiều dài cung tiếp xúc

Chiều dài cung tiếp xúc giữa chi tiết và đá mài khi bỏ qua biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ được xác định theo công thức sau: [16]

d D

t d D M d D

t d D v

u v

v l

d d

ct k

60 1

2 2

(1.18) Khi mài chạy dao ngang sn = 0 thì u = 0 ta có

d D

t d D v

v l

d

ct k

Nếu quy ước trong quá trình mài chi tiết đứng yên vct = 0) thì:

2 1

.

d D t d D

t d D

Khi mài tròn trong, mài phẳng chiều dài cung tiếp xúc khác mài tròn ngoài, hình 1.7 Tuy nhiên chúng ta có thể tính được lk không phụ thuộc vào phương pháp mài bằng cách đưa ra khái niệm đường kính mài tương đương Dtđ

D d

D d

D tđ



Trong đó: Dấu „+‟ khi mài tròn ngoài, Dấu „-‟ khi mài tròn trong, khi mài phẳng d  

Vậy công thức xác định chiều dài cung tiếp xúc không phụ thuộc vào phương pháp

Mài lỗ Mài phẳng Mài tròn ngoài

Hình 1.7 Chiều dài cung tiếp xúc của các phương pháp mài

Trên hình 1.6 là mô tả hình học của quá trình cắt khi mài phẳng Đá mài có đường kính ds quay với vận tốc vs Chiều sâu cắt sau một hành trình ngang của ụ mài là a Vận tốc chuyển động tịnh tiến khứ hồi của chi tiết là vw Khi mài phẳng, chiều sâu cắt a thường nằm trong khoảng 10-50 m, vận tốc đá mài 30-50 m/s Vận tốc chi tiết vw nhỏ hơn vận tốc cắt của đá mài vs rất nhiều, t số vs/vw nằm trong khoảng 100-120)

Chiều dài cung tiếp xúc l c là chiều dài từ A đến B hình 1.6a Bỏ qua biến dạng của

đá mài và phôi, chiều dài cung tiếp xúc được tính như sau:

2



s c

d AB

)

2 1 ( cos 1

2 1

   (1.25) Kết hợp các biểu thức trên ta có:

2 / 1

) ( s

c ad

Từ biểu thức 1.26 ta thấy chiều dài cung tiếp xúc có thể coi bằng chiều dài dây

cung AB, l c được gọi là chiều dài tiếp xúc tĩnh Chiều dài tiếp xúc l c nằm trong khoảng 0,110 mm tuỳ theo điều kiện mài Tuy nhiên, trong thực tế do ảnh hưởng của biến dạng dẻo và biến dạng nhiệt, chiều dài tiếp xúc có xu hướng giãn ra và lớn hơn so với tính toán

t v v

v

ct d

ct

2 60

 - Hệ số: mài tròn ngoài  = 1, mài tròn trong  = -1, mài phẳng  = 0

Từ phương trình trên thấy rõ chiều dày phoi được hớt đi bởi một hạt mài az phụ thuộc vào tất cả các thông số là: vd, vct, l, t, B, Sd, D và d Trị số az quyết định đến tải trọng tác dụng lên hạt mài do đó quyết định đến độ mòn, tuổi bền của đá mài và kết quả của quá trình mài

Vì vct << vd nên ta có thể bỏ qua 2vct ở mẫu số 60vd 2vct trong công thức trên, thay  = 1 và

ct

S

l  1 vào công thức trên ta có:

2 1 2

1 1

.

d d

ct z

S D

t B

S v

1

thì az được xác định theo công thức sau: [53]

2 1 2

1 1

d

ct z

S D

t v

v K

Từ công thức ta thấy: ngoài các yếu tố đã nêu ở trên, thì az còn phụ thuộc vào mật

độ lưỡi cắt tĩnh Sct Trong đó, chế độ công nghệ khi sửa đá ảnh hưởng rất lớn đến mật độ lưỡi cắt tĩnh Sct nên cũng ảnh hưởng rất lớn đến az Vì vậy sẽ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình mài và kết quả mài

Sơ đồ xác định chiều dày phoi az và hình dạng phoi hình 1.8

Hình 1.8 Chiều dày và hình dạng phoi

1.1.4 Động lực học quá trình mài

Quá trình cắt vật liệu khi mài diễn ra nhờ sự xâm nhập của các hạt mài vào vật liệu chi tiết Chiều sâu xâm nhập của hạt mài vào phôi phụ thuộc vào cấu trúc hình học bề mặt của đá mài, các chuyển động tạo hình bề mặt của đá và chi tiết trong quá trình mài Khi các hạt mài ăn sâu vào bề mặt phôi, sẽ xuất hiện lực cắt, nhiệt cắt, rung động và một số các hiện tượng khác tác động tới quá trình mài Để tìm hiểu cơ chế và động lực học của quá trình mài có thể sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu phoi mài với sự trợ giúp của SEM

- Tính toán lực và công suất cần thiết trong quá trình mài ở các điều kiện khác nhau, từ đó tìm ra năng lượng mài riêng

Việc tìm hiểu cơ chế mài và lực cắt khi mài cũng sẽ giúp cho việc nghiên cứu tìm hiểu bản chất biến dạng và các hư hỏng khác của chi tiết gia công trong quá trình mài

Quá trình làm việc gồm hai giai đoạn:

- Giai đoạn cày xước: khi hạt mài bắt đầu xâm nhập vào vật liệu chi tiết, do chiều sâu cắt

rất bé, quá trình cắt không thực hiện được Lúc này vật liệu bị đẩy sang hai bên tạo thành các vết cày xước

- Giai đoạn hạt mài cắt vật liệu: quá trình này xẩy ra khi hạt mài đã xâm nhập vào chi tiết đến một chiều sâu nhất định gọi là chiều sâu tới hạn Chiều sâu tới hạn sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Độ sắc của lưỡi cắt bán kính đỉnh hạt mài ;

+ Định hướng của lưỡi cắt;

+ Góc trước và hệ số ma sát giữa hạt mài và chi tiết;

+ Vật liệu chi tiết mài

Các lực cắt khi mài không lớn nhưng các lực này có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác chi tiết khi mài Lực sinh ra trong quá trình mài bao gồm tổng hợp các lực cắt gọt của đá mài và lực cắt cào xước tế vi của một hạt đá, hình 1.10

Đặc trưng của lực cắt khi mài là thay đổi theo thời gian mài Nguyên nhân của tính không ổn định rất khác nhau: đó là tính không cân bằng của đá mài và dạng hình học không chuẩn, độ không bằng phẳng và các đặc tính của chi tiết, dao động bên ngoài truyền vào vùng cắt và làm thay đổi tiết diện cắt, mòn tức thời và cùn của đá mài Ở phần lớn các trường hợp đặc biệt khi mài tinh tính không ổn định của lực cắt ảnh hưởng quyết định đến các thông số đầu ra quan trọng nhất đó là chất lượng và độ chính xác bề mặt chi tiết gia công

Hình 1.10 Mối quan hệ giữa các lực thành phần khi mài phẳng [58]

1.1.4.2 Rung động khi mài

Trước hết có thể thấy vấn đề rung động xẩy ra trong quá trình mài chủ yếu là do quá trình rung động cưỡng bức và tự rung Rung động cưỡng bức xuất hiện khi một ngoại lực tuần hoàn biến đổi theo thời gian tác động lên hệ thống công nghệ Các nguyên nhân gây rung động cưỡng bức gồm có: [7], [12]

- Rung động bên ngoài truyền đến qua móng máy

- Lực cắt gọt không đều do cắt gọt gián đoạn

- Do bên trong hệ thống công nghệ: các chi tiết quay mất cân bằng lớn, các bộ truyền động

ăn khớp được chế tạo không chính xác hoặc bị mòn, khi thay đổi chế độ cắt

Tự rung là rung động phát sinh và tồn tại cùng quá trình cắt Tự rung phát sinh không phải do ngoại lực mà do năng lượng của bản thân quá trình cắt, khi quá trình cắt dừng lại thì tự rung cũng biến mất Nguyên nhân của tự dung bao gồm: [9], [12]

- Do thay đổi tốc độ cắt hoặc tiết diện lớp cắt làm thay đổi lực cắt

- Do sự không đồng nhất trong thành phần vật liệu phôi

- Do ảnh hưởng của quá trình tự mài sắc

Dấu hiệu đặc biệt của rung động tự rung đó là tần số rung động của nó hầu như không thay đổi khi vận tốc chuyển động của các cụm máy thay đổi, trong quá trình mài khi

đá mài mòn làm thay đổi lực cắt sẽ xuất hiện rung động tự rung Tần số của rung động tự rung phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ, nếu độ cứng vững thấp thì tần

số này giảm Biên độ của rung động tự rung tăng dần theo thời gian mài và phụ thuộc nhiều vào chế độ mài Rung động tự rung là một trong các nguyên nhân chính gây ra sóng trên bề mặt làm việc của đá mài và chi tiết gia công

Trong khi mài, nếu giảm chiều rộng của đá mài sẽ dẫn đến giảm lực cắt, giảm rung động và giảm độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt Khi vết gằn trên bề mặt chi tiết tái xuất hiện thì ngược lại lực cắt sẽ giảm đồng thời làm giảm biên độ rung động và phát ra tiếng ồn Ở khu vực tiếp xúc giữa bề mặt đá và bề mặt chi tiết gia công xẩy ra quá trình rung động cưỡng bức hay tự rung khi gia công, tạo nên sự phụ thuộc động học của quá trình mài đến chất lượng bề mặt của chi tiết Trong quá trình mài, để đạt được chất lượng bề mặt gia công người ta cố gắng hạn chế ảnh hưởng của rung động đến mức tối thiểu.[7]

Cũng như các chỉ tiêu về lực, trong quá trình mài thì rung động cũng là chỉ tiêu gián tiếp để đánh giá tuổi bền của đá mài, để đánh giá tuổi bền ta có thể dùng chỉ tiêu biên

độ dao động A hoặc gia tốc g (m/s2 Quan hệ giữa gia tốc và tuổi bền được chia làm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Ứng với giai đoạn mòn ban đầu của đá Trong giai đoạn này rung động có xu hướng giảm

- Giai đoạn 2: Ứng với giai đoạn mòn bình thường của đá Trong giai đoạn này rung động có xu hướng tăng

- Giai đoạn 3: Ứng với giai đoạn mòn khốc liệt của đá Trong giai đoạn này rung động tăng mạnh

Ký hiệu đá phụ thuộc vào loại đá và tiêu chuẩn riêng của mỗi nước Ví dụ, hệ thống

ký hiệu tiêu chuẩn được sử dụng ở Bắc Mỹ cho đá mài thông thường với hạt mài ôxít nhôm

và các-bít silic (hình 1.11 Ký hiệu của nhiều nước khác trên thế giới cũng tương tự, trong

đó:

Hình 1.11 Ký hiệu đá mài với hạt mài ôxít nhôm và các-bít Silic theo tiêu chuẩn của Mỹ

Ký hiệu A hoặc C là loại vật liệu hạt mài ôxít nhôm hoặc các-bít Silic (A = Aluminium oxide; C = Silicon Carbide)

- Tiếp theo là ký hiệu cỡ hạt mài thông qua chỉ số độ hạt, được biểu thị bằng một con số

Số này chính là số lỗ trên chiều dài 1 inch của cạnh sàng dùng để phân loại hạt mài Kí

hiệu này có giá trị càng lớn thì cỡ hạt càng nhỏ

- Ký tự tiếp theo biểu thị cấp độ cứng của đá Độ cứng của đá là khả năng giữ chặt hạt mài

bởi chất kết dính dưới tác dụng của ngoại lực Độ cứng của đá mài phụ thuộc vào t lệ

khoảng trống trong đá không tính đến tỉ lệ hạt mài và chất kết dính

Vđá = Vdính kết + Vhạt mài + Vlỗ trống (1.30)

Độ cứng đá mài được ký hiệu bằng các chữ cái từ A đến Z Đối với cùng lượng hạt

mài và loại chất kết dính, đá cứng hơn là đá có nhiều chất dính kết hơn và ít lỗ trống hơn

- Chỉ số cấu trúc được tính theo công thức kinh nghiệm 1.31): [43]

Vg (%) = 2(32-S) (1.31) Trong đó: Vg - Phần trăm về thể tích

S - Chỉ số cấu trúc

- Vật liệu chất kết dính được ký hiệu bằng một chữ cái hoa, là chữ cái đầu tiên trong tên

viết đầy đủ của vật liệu kết dính, như chữ “V = Vitrified” cho đá dùng chất dính kết thu

tinh, chất dính kết cao su bằng chữ R = Rubber, B = Resinoid, M = Metal, E đối với nhựa

Shellac Hai loại vật liệu silicate = S và oxichloride = O ít được sử dụng

Nhựa tổng hợp Gốm

Cao su Thủy tinh Keramic

Số hiệu đá Vật liệu Kích thước Cấp độ cứng Chỉ số Chất kết dính Tốc độ cắt hạt mài hạt mài của hạt mài cấu trúc của đá

Số hiệu của nhà sản xuất quy định

Có thể ghi hoặc không

Ôxít nhôm

Các bít Silic

Thô Trung Mịn Rất bình mịn

Mau

thưa

1.2.2 Vật liệu hạt mài

Khi tạo phoi trong quá trình gia công với dụng cụ cắt là đá mài, lượng vật liệu được lấy đi là do tác động của các hạt mài Việc lấy lớp kim loại được xảy ra trong một khoảng thời gian dài, vì vậy yêu cầu của vật liệu hạt mài là: [6], [10]

- Vật liệu phải có độ cứng, độ dai cao và lưỡi cắt phải duy trì được độ sắc trong một thời gian dài

- Vật liệu hạt mài phải có khả năng chịu nhiệt cao và duy trì được khả năng cắt khi nhiệt độ thay đổi

- Vật liệu phải có độ bền cao trong môi trường hóa chất

Đá mài là loại dụng cụ cắt được chế tạo từ vật liệu dạng hạt liên kết với nhau thành một thể nguyên khối bằng những chất kết dính Vật liệu hạt mài sử dụng để chế tạo đá mài

là các loại vật liệu có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, chúng có độ cứng lớn và có khả năng cắt gọt cao Nhóm vật liệu tự nhiên bao gồm các loại: Kim cương tự nhiên, thạch anh,

đá lửa, granat, Coranh đông, Các bua Silic, Với loại vật liệu nhân tạo bao gồm: Kim cương, Nitrit bo ở dạng mạng lập phương thể tâm CBN , Co ranh đông điện, Các bit silic, Các bit bo, Oxyt nhôm … [3], [16]

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

- Chất kết dính hữu cơ bao gồm: Bakêlic, Gliphtalin và Vuncanic

Chất kết dính Silicat: chất kết dính này được chế tạo từ thu tinh lỏng trộn với ôxit kẽm, manhê và ôxit nhôm chất kết dính silicat có độ cứng trung bình Đá mài với chất kết dính silicat rất chóng mòn, nhưng ít toả nhiệt khi mài

Chất kết dính Bakelic (B): thành phần chính của chất kết dính bakelic là bakelic lỏng hoặc bột hắc ín, nhựa nhân tạo Đá mài với chất kết dính bakelic có độ bền cao nhưng mau mòn Chất kết dính bakelic có tính đàn hồi cao, do đó nó cho phép chế tạo đá mài có chiều dày bé < 0,5 mm để dùng làm đá cắt và gia công với chế độ cắt cao

Chất kết dính Vuncanit (V): thành phần chính của chất kết dính vuncanit là cao su nhân tạo và một số chất phụ gia khác có chức năng làm tăng độ cứng, độ bền và độ đàn hồi của dụng cụ Đá mài với chất kết dính vuncanit có độ đàn hồi cao hơn so với đá mài có chất kết dính bakelit, nhưng nhiệt độ làm việc thấp hơn (1500

C)

Để tăng độ bền của đá mài, người ta sử dụng các chất kết dính hợp kim Chất kết dính

có chứa Bo 52% và titan cho phép chế tạo đá mài làm việc với tốc độ cắt đến 60m/s Các chất kết dính có chứa thêm ôxitbo, ôxitliti, bari, phtora sẽ tăng cường đáng kể các đặc tính cơ học của đá mài

1.2.4 Độ hạt của đá mài

Độ hạt của đá mài được biểu thị bằng kích thước thực tế của hạt mài theo OCT –

3647 – 59 bảng1.1 Tính năng cắt gọt của vật liệu phụ thuộc vào kích thước hạt mài Khi mài thô dùng loại hạt có kích thước lớn và ngược lại khi mài tinh dùng loại hạt có kích thước nhỏ Hạt mài được phân ra làm 3 nhóm: [6], [10]

- Nhóm thứ nhất gọi là hạt mài gồm các số hiệu: 200; 160; 125; 100; 80; 63; 50; 40; 32; 25; 20; 16

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

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

Chất lượng của hạt mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố song quan trọng nhất là sự đồng đều của các hạt

Bảng 1.1 Độ hạt mài và phạm vi sử dụng

Độ hạt mài

Phạm vi sử dụng Theo OCT –

3647 – 59 (m)

Hệ Anh Số mắt sàng/1inch chiều dài

- Mài ren, mài sửa cần có độ bóng cao

- Mài nghiền các chi tiết và các loại dụng cụ nhiều lưỡi đòi hỏi độ nhẵn cao

- Mài khôn xi lanh, mài mỏng, mài rà

1.2.5 Cấu trúc đá mài

Cấu trúc đá mài đặc trưng cho mật độ hạt mài bên trong đá mài, nghĩa là quan hệ giữa các thể tích của hạt mài, chất kết dính và khoảng trống của đá Cơ sở để phân loại đá mài theo cấu trúc là thể tích của hạt mài Những đá mài có cùng một cấp cấu trúc khi thể tích do các hạt mài chiếm chỗ là như nhau với mọi cấp độ cứng Cấu trúc của đá mài được chia thành 12 cấp từ 112, [10] Khi tăng một cấp cấu trúc thì thể tích hạt mài trong đá giảm một lượng V = 2%, còn thể tích chất dính kết tăng 2% tương ứng:

(Vh - V) + (Vdk + V) + Vt =100% (1.32)

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

Đá mài có cấu trúc chặt, trong đó hạt mài được bố trí quá mau, khoảng cách giữa các hạt nhỏ, chủ yếu để mài bóng

Đá mài có cấu trúc xốp, khoảng cách giữa các hạt lớn, thoát phoi tốt, vì vậy cho phép nâng cao tốc độ cắt, nhưng khi đó đá lại kém bền

Để tạo khoảng trống, khi chế tạo đá mài, người ta trộn các chất phụ gia mùn cưa,

gỗ, than v.v… vào hỗn hợp trước khi ép, khi thiêu kết các chất phụ gia sẽ cháy và tạo thành các khoang rỗng

Đá mài có độ hạt 125  80 thường dùng cấp cấu trúc No 3  4 Độ hạt 50  40 thường dùng cấp cấu trúc No 5  6, độ hạt 25  12 thường dùng cấp cấu trúc No 6  7 Thành phần hạt mài của các cấp cấu trúc có trong bảng 1.2, cấu trúc của đá mài hình 1.12, [10]

Bảng 1.2 Thể tích hạt mài phân bố theo cấp cấu trúc

Cấp cấu

trúc

% thể tích hạt mài

Cấp cấu trúc

% thể tích hạt mài

2

1

3

Độ cứng của đá mài phụ thuộc vào t lệ, chất lượng chất dính kết, dạng vật liệu hạt mài, quy trình công nghệ chế tạo đá mài Độ cứng của đá mài ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng khi mài Trên bảng 1.3 là kí hiệu độ cứng đá mài của một số nước được dùng trong các xí nghiệp hiện nay

Ký hiệu của độ cứng đá theo mức tăng dần, bởi vậy M3 được xem là cứng hơn M1 v v Trên thực tế chọn đúng độ cứng của đá có một ý nghĩa quan trọng, chúng ta biết rằng

đá mài có những tính chất đặc trưng; tính cắt của chúng ở nhiều mức độ khác nhau

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

Bảng 1.3 Kí hiệu độ cứng đá mài

Kí hiệu

Mềm M1, M2, M3 M1, M2, M3 R1, R2, R3 E, F, G E, F, G Mềm vừa MV1, MV2 CM1, CM2 ZR1, ZR2 H, I, K H, I, J, K Trung bình TB1, TB2 C1, C2 Z1, Z2 L, M, N, O L, M, N, O Cứng vừa CV1,CV2,CV3 CT1, CT2, CT3 ZY1, ZY2, ZY3 P, Q P, O, R, S

Rất cứng RC1, RC2 BT1, BT2 CY1, CY2 T, U, V T, U, V, W,

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

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

1.3 MÒN ĐÁ MÀI VÀ TUỔI BỀN ĐÁ MÀI

Diễn biến quá trình mòn đá mài tương tự như các quá trình mòn của dụng cụ cắt khác bao gồm 3 giai đoạn, hình 1.13

Hình 1.13 Mối quan hệ giữa lượng mòn đá với thời gian cắt

OA: giai đoạn mòn ban đầu; AB: giai đoạn mòn ổn định; BC: giai đoạn mòn khốc liệt

+ Giai đoạn 1: Giai đoạn mòn nhanh ban đầu của đá Thời gian mòn ban đầu 0 nhỏ nhưng

độ mòn ban đầu Um lớn Nguyên nhân là sau khi sửa đá có nhiều hạt mài có vị trí và thông

số hình học của lưỡi cắt không thuận lợi cho quá trình cắt hoặc các hạt mài liên kết không chặt chẽ với nhau Các hạt này liên tục bị tách ra khỏi chất kết dính

+ Giai đoạn mòn tiếp theo là mòn bình ổn với tốc độ mòn gần như hằng số Thời gian làm việc của đá được tính trong giai đoạn này Độ mòn của đá trong giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của tải trọng cơ nhiệt

+ Giai đoạn mòn thứ ba là mòn khốc liệt Mòn khốc liệt khi xuất hiện có thể kèm theo cháy mài hoặc vết gằn và khi đó cần phải tiến hành sửa đá

1.3.1.2 Cơ chế mòn

Trong quá trình gia công bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt không xác định, không chỉ chi tiết mà cả dụng cụ cắt cũng chịu nhiệt độ và áp lực cao Có thể quan sát trên hình 1.14, hình 1.15 nhờ kính hiển vi điện tử để thấy được dạng mòn của hạt cắt và chất kết dính [7], [26], [57], [41]

Tuỳ thuộc vào điều kiện mài có thể xẩy ra các dạng mòn sau:

- Hạt mài nằm ở vị trí không thuận lợi trên bề mặt đá hoặc được giữ không chặt bởi chất kết dính, dưới tác dụng của lực cắt chúng bị tách ra khỏi bề mặt đá Nó có thể xẩy ra theo

bề mặt liên kết gẫy cầu liên kết khi sửa đá hoặc do hạt mài bị phá hu về thể tích

- Các cạnh và đỉnh của những hạt mài nhô ra nhiều nhất một phần bị vỡ vụn văng ra khỏi hạt mài, một phần bị mòn và bị lì do ma sát với bề mặt chi tiết gia công Trên bề mặt hạt mài xuất hiện các diện tích phẳng do bị mòn gây khó khăn cho hạt mài ăn sâu vào bề mặt gia công

- Hạt mài bị vỡ mảnh lớn

- Hạt mài bị vỡ thành nhiều mảnh nhỏ, tạo thành nhiều lưỡi cắt sắc hơn

- Phoi cắt ra cùng với mảnh vụn hạt mài và chất liên kết bị mòn rơi vào các lỗ hổng của đá

và bịt kín chúng làm mất các góc cắt của hạt mài, khi đó khả năng luân chuyển phoi làm giảm tính cắt gọt

- Kim loại gia công do ngưng kết hoặc do tác dụng hoá học với vật liệu hạt mài bị dính vào các đỉnh hoặc trên bề mặt các hạt mài

- Khi các hạt mài bị vỡ và bị rơi ra, khi đó bề mặt làm việc đá mài liên tục để lộ ra các lớp hạt mài mới, sự khôi phục này được gọi là tính tự mài sắc của đá mài

Hình 1.14 Cơ chế mòn đá

Hạt mài bị vỡ mảnh lớn Lớp mềm do áp lực

Độ mòn hóa học, cơ học Hạt mài bị nứt tế vi

Chất kết dính bị gãy vỡ

Độ mòn của chất kết dính

Do nhiệt và hóa học

Hình 1.15 Các dạng mòn của đá mài

Các dạng mòn trên xuất hiện đồng thời trong quá trình mài, tuy nhiên tuỳ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể mà một dạng mòn nào đó thể hiện rõ nhất Độ mòn của hạt mài bắt đầu từ lớp bên ngoài của hạt Ở đó là nơi xảy ra áp lực cao, quá trình Oxy hóa và khuyếch tán, làm vỡ một phần vật liệu của hạt mài để tách ra mài mòn cơ học Ngoài ra

do sự tác động của quá trình cơ và nhiệt nên xuất hiện hiện tượng mỏi của các tinh thể Trong những trường hợp hạt mài gặp các vật thể rắn hoặc độ cứng không đồng đều hạt mài sẽ xuất hiện mỏi do ma sát Điều này có thể dẫn tới hạt mài bị nghiền nát hay bị vỡ từng phần, đồng thời sẽ làm gãy vỡ một phần chất kết dính dẫn đến việc tách hạt mài ra khỏi chất kết dính [7]

1.3.2 Tuổi bền của đá mài

1.3.2.1 Khái niệm tuổi bền đá mài

Khái niệm tuổi bền của đá mài phức tạp hơn so với tuổi bền của các loại dao cắt có lưỡi cắt xác định Tiện, Phay bởi vì đá mài còn có khả năng tự mài sắc, Tuỳ theo mức

độ cùn của các hạt mài và sự bám dính kim loại của chúng mà việc ăn sâu của hạt mài vào kim loại gia công bị cản trở, tăng ma sát giữa các bề mặt của đá mài và chi tiết, lực cắt, nhiệt độ và rung động trong quá trình mài cũng tăng lên

Khoảng thời gian làm việc thực của đá mài giữa hai lần sửa đá được gọi là tuổi bền của đá mài Tuổi bền của đá mài đặc trưng cho khả năng của các lưỡi cắt chống lại sự

mài mòn và phá hu bề mặt của đá mài Vì vậy các lưỡi cắt trên bề mặt đá mài càng lớn chúng được gắn bằng chất kết dính càng tốt càng chắc hơn và tải trọng lên mỗi lưỡi cắt càng nhỏ khi cắt gọt thì tuổi bền của đá mài càng cao

Các nghiên cứu trước đây bằng phương pháp thực nghiệm đã xác định được tuổi bền của đá mài phụ thuộc vào chế độ cắt ở dạng các hàm số mũ [16]

T C t tsv (1.34) Trong đó:

Ct , , ,  - hệ số xác định bằng thực nghiệm

Để xác định tuổi bền của đá mài về nguyên tắc có thể sử dụng cả các tiêu chí gián tiếp khác lực, công suất mài, rung động Nhưng khi đó cần kết nối số lượng các tiêu chí này với các thông số chất lượng bề mặt mài và với tốc độ bóc cắt kim loại chi tiết gia công

Hạt mài bị mất góc gắt

Chất kết dính Hạt mài tham

gia cắt

Khoảng trống

1.3.2.2 Các tiêu chí đánh giá tuổi bền đá mài

Các tiêu chí chính để xác định tuổi bền đá mài là các thông số đầu ra của quá trình mài

Độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công, lượng kim loại bị bóc đi bởi vì chính chúng là những tiêu chuẩn cần đạt của quá trình mài Vì vậy để xác định tuổi bền của đá mài ta cần phải đo được các thông số đầu ra

Có một số phương pháp xác định tuổi bền của đá mài: đo độ mòn, đo lực, đo nhiệt mài và đo topography bề mặt đá, các phương pháp này có ý nghĩa khi tồn tại các mối quan

hệ giữa các đại lượng đo được với các thông số chất lượng, độ chính xác của bề mặt gia công và khối lượng kim loại lấy đi

Do độ phức tạp và đa dạng của các quá trình mài nên việc xác định tuổi bền của đá rất phức tạp Không thể xây dựng một chỉ tiêu tổng quát để xác định tuổi bền của đá cho mọi trường hợp Do đó có thể có các phương pháp xác định tuổi bền của đá mài sau đây: [18] 1) Bằng gia công các chi tiết mẫu: Khi gia công các chi tiết mẫu thì tiến hành đo các thông

số chất lượng của chi tiết như: độ chính xác về kích thước, độ nhám bề mặt, ứng suất dư, vết cháy Căn cứ vào kết quả đo các thông số và số lượng chi tiết mẫu, sẽ xác định được thời điểm phải sửa đá Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất loạt lớn

2 Bằng quan sát của người thợ điều khiển máy mài: Người công nhân phải tự xác định thời điểm sửa đá mài dựa vào chỉ số đối với các dấu hiệu chủ quan như: xuất hiện âm thanh đặc biệt trong khi đá mài làm việc, vết cháy sém nhận thấy rõ, nhám bề mặt gia công xấu v.v…Yếu tố chủ quan và sự thiếu chính xác là những nhược điểm cơ bản của phương pháp này Tuy nhiên phương pháp này cũng được sử dụng rộng rãi trong thực tế mài

3 Bằng đo lực cắt thành phần hướng tâm PY: Phương pháp này dựa trên cơ sở tăng lực thành phần hướng kính trong khi đá mài cùn và dính bẩn Nhược điểm của phương pháp này là không có một quy luật tăng lực cắt hướng tâm một cách thống nhất ở các điều kiện mài khác nhau, việc xây dựng quan hệ giữa lực PY với các thông số chất lượng bề mặt chi tiết gia công khó khăn

4 Bằng đo lực cắt thành phần tiếp tuyến Pz: Đo đại lượng lực cắt tiếp tuyến Pz đặc trưng cho khả năng cắt của phương pháp mài Việc đo được tiến hành nhờ các thiết bị đo lực đặc biệt điện áp, cảm ứng, điện dung, đo biến dạng v.v Phân tích sự thay đổi của lực Pz khi mài liên tục chỉ ra rằng có thể lấy sự biến thiên của Pz làm chỉ tiêu để xác định tuổi bền của

đá mài

5 Bằng đo tốc độ bóc kim loại trong quá trình mài: Việc xác định tuổi bền của đá mài được tiến hành bằng đo tốc độ bóc kim loại trong một đơn vị thời gian làm việc Cơ sở của phương pháp này là hiện tượng tăng lực cắt hướng kính Py cùng với sự cùn của đá mài đã

mô tả ở trên

6 Bằng đo nhiệt cắt khi mài: Nó dựa trên cơ sở đo nhiệt độ mài đặc trưng cho chất lượng

bề mặt mài và nhiệt mài tăng lên cùng với hiện tượng cùn của đá mài Song việc đo nhiệt

độ trong quá trình mài là phức tạp mà ngày nay vẫn chưa được sử dụng trong thực tế sản xuất

7 Bằng đo hệ số khả năng cắt của đá mài mà nó là t số tốc độ bóc kim loại đi với lực cắt hướng tâm (Q/PY; mm3/ph.kG) Hệ số này phản ánh rõ trạng thái và các tính chất cắt gọt của đá mài

8 Bằng đo cường độ rung hoặc biên độ dao động của lực cắt: Việc tăng biên độ dao động hướng tâm của đá mài so với bề mặt chi tiết, xảy ra cùng với mòn đá mài là nguyên nhân làm kém đi các thông số chất lượng bề mặt chi tiết mài sóng và nhám Vì thế việc đo biên

độ dao động lực cắt hoặc biên độ dao động của bất kỳ cụm nào đó hoặc là chi tiết của máy gần vùng mài có thể dùng làm tiêu chí để xác định tuổi bền của đá mài

1.4 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI MÀI

1.4.1 Chất lượng bề mặt chi tiết mài

Chất lượng bề mặt chi tiết mài là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ và khả năng làm việc của chi tiết Trong quá trình mài, chất lượng bề mặt chi tiết là một chỉ tiêu để đánh giá quá trình gia công chi tiết máy, nhất là ở giai đoạn mài tinh Chất lượng bề mặt được đánh giá bằng hai nhóm chỉ tiêu đó là nhóm các chỉ tiêu hình dáng lớp bề mặt

độ sóng, độ nhám và nhóm tính chất cơ lý của lớp bề mặt độ cứng, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư [20]

Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng, những đặc trưng cơ bản về chất lượng lớp bề mặt ảnh hưởng đến tuổi thọ của chi tiết máy có thể sắp xếp theo thứ tự sau:

- Độ chính xác hình dáng hình học các chi tiết tiếp xúc

1.4.1.1 Độ nhám bề mặt chi tiết mài

Độ nhám bề mặt mài là toàn bộ các vết được tạo ra bởi các lưỡi cắt của đá mài Hình dạng và kích thước của các vết này là ngẫu nhiên Độ nhám bề mặt chi tiết mài phụ thuộc vào sự phân bố của các hạt mài trên đá mài và quá trình động học, mức độ biến dạng dẻo khi cắt, chế độ cắt, đặc tính đá, dung dịch trơn nguội, độ cứng vững của máy, topography

đá mài và các yếu tố phát sinh trong quá trình mài

Giản đồ bề mặt nhấp nhô hình 1.16 được mô tả phóng đại những sai lệch tế vi để giúp chúng ta đánh giá được độ nhám bề mặt Đường trung bình prôfin của độ nhấp nhô bề mặt này là đường cơ sở, để xác định số lượng trị số nhấp nhô và vị trí, tổng diện tích hai phía từ đường trung bình tới prôfin phải bằng nhau, tức là:

n dx y

1 1

Hình 1.17 Mô hình mô tả độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài [53]

1.4.1.2 Biến đổi cấu trúc lớp bề mặt chi tiết mài

Trong quá trình mài, mặc dù lực cắt gọt chi tiết không lớn hơn so với các phương pháp cắt gọt khác như tiện, phay, bào nhưng do sự tham gia cắt đồng thời của nhiều hạt mài và do ma sát cào miết của những hạt mài không cắt gọt, làm cho nhiệt phát sinh trong vùng tiếp xúc của đá và chi tiết rất lớn Nhiều thực nghiệm đã chứng tỏ rằng khi mài 80% công tiêu hao trong quá trình mài được biến thành nhiệt, chỉ có 20% công có ích làm biến dạng mạng tinh thể của vật liệu để thực hiện cắt gọt Biến đổi cấu trúc mạng tinh thể dẫn

đến xuất hiện nội ứng suất bởi vì chúng gây ra biến đổi thể tích kim loại Nếu như nội ứng suất vượt quá đại lượng bền tức thời kim loại sẽ bị phá hu , lúc này sẽ sinh ra các vết nứt khi mài [16], [10]

Khi gia công kim loại bằng phương pháp cắt gọt sẽ xuất hiện biến dạng dẻo trên lớp mỏng ở bề mặt, lan toả sang các vùng lân cận nằm dưới lớp bề mặt gia công Quá trình biến dạng dẻo phát sinh theo hướng trượt, tức là làm dịch chuyển một lớp tinh thể này theo mặt phẳng liên kết tinh thể nhất định nào đó Cũng có thể nói rằng quá trình trượt là sự dịch chuyển của một lớp nguyên tử này so với lớp nguyên tử kia, dưới tác dụng của lực biến dạng tức là dưới sự tác dụng của lực cắt Các tinh thể về cơ bản được sắp xếp theo h-ướng của sơ đồ mạng tinh thể, tương tự sắp xếp của các hạt nhỏ theo hướng biến dạng gọi

là vân kim loại Như vậy khi biến dạng dẻo xuất hiện những hiện tượng sau:

- Thay đổi tính chất cơ lý của lớp bề mặt,

- Khi cắt kim loại biến dạng dẻo gây ra biến cứng lớp bề mặt do đó chi tiết trở nên bền hơn

và độ cứng tế vi được nâng cao hơn và giảm tính dẻo

1.4.1.3 Ứng suất dư bên trong chi tiết mài

Sự thay đổi cấu trúc kim loại sẽ làm phát sinh nội lực Trong khi mài, nhiệt độ ở vùng tiếp xúc giữa đá và chi tiết rất lớn làm cho nhiệt độ trong các vùng của chi tiết chênh lệch nhau gây ra sự biến đổi thể tích của kim loại, làm tổ chức của nó thay đổi Quá trình chuyển biến về cấu trúc của kim loại kèm theo sự xuất hiện ứng suất dư bên trong của vật mài [10]

Các nghiên cứu trước đây đã xác định rằng ứng suất dư ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng làm việc của chi tiết Nếu ở bề mặt vật mài có ứng suất dư nén thì chất lượng bề mặt chi tiết tốt, tăng độ bền lâu của nó Ngược lại, nếu ở lớp bề mặt chi tiết có nhiều lớp ứng suất dư kéo thì chất lượng bề mặt giảm, dễ gây ra các vết rạn nứt và có thể bị phá hủy đột ngột

Nghiên cứu về độ lớn và tính chất ứng suất dư mang một ý nghĩa lớn, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi khử ứng suất dư trên lớp bề mặt đã làm tăng bền chi tiết gia công và nâng cao khả năng chịu mòn Trong quá trình mài chọn chế độ cắt hợp lý sẽ tạo ra một lớp

bề mặt có ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ chi tiết gia công

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết khi mài

Theo phân tích ở trên, chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt: hình dáng lớp bề mặt độ sóng, độ nhám và tính chất cơ lý của lớp bề mặt

độ cứng, chiều sâu biến cứng, ứng suất dư Trong thực tế khi đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công thường gặp khó khăn ở các phép đo độ chính xác về hình dạng, độ cứng tế vi và ứng suất dư của bề mặt Do đó để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết sau khi mài người ta thường đánh giá thông qua chỉ tiêu độ nhám bề mặt chi tiết mài

* Độ nhám bề mặt lý tưởng:

Cũng như các phương pháp gia công khác, có thể dự đoán một cách lý thuyết độ nhám bề mặt mài bằng cách mô hình hóa sự tương tác giữa các điểm cắt của hạt mài với chi tiết Theo cách này thì các lưỡi cắt cắt bỏ tất cả vật liệu trên đường mà nó đi qua, để lại đằng sau các rãnh cắt Với các quá trình cắt có thông số dụng cụ cắt xác định như tiện hoặc phay, quá trình phân tích là không khó khăn Độ nhám lý tưởng thường là thấp hơn độ nhám thực do các yếu tố như: sự chảy vật liệu, hiện tượng lẹo dao và rung động Tuy nhiên, với mài thì việc thực hiện mô hình hóa khó hơn nhiều do sự ngẫu nhiên về hình dáng và thông số của lưỡi cắt trên đá mài Do vậy để mô hình hóa quá trình cắt khi mài, người ta đưa ra các giả thuyết làm đơn giản bớt quá trình [53]

Trên hình 1.18 là mô hình tính toán độ nhám bề mặt chi tiết khi mài Bề mặt mài lý tưởng của chi tiết được hình thành từ tập hợp các đường viền giống nhau kế tiếp với bán kính cong tương ứng với bán kính của đường cắt Khi đó bước tiến cho mỗi điểm cắt được tính theo công thức: [53]

s

w c

v

L v

d

s R

w t

d v

L v

Độ nhấp nhô trung bình Ra sẽ là:

2

2 / 1

3 9

w a

d v

L v

Tương ứng với Rt3.9Ra

Theo các công thức trên, nhấp nhô bề mặt chủ yếu phụ thuộc vào t số giữa vận tốc

đá và vận tốc chi tiết (vw/vs) và khoảng cách L giữa các hạt mài, trong khi ít phụ thuộc vào đường kính đá mài ds Rất rõ ràng để nhận thấy là chiều sâu mài a không ảnh hưởng đến nhấp nhô với điều kiện là a > Rt, thể hiện từ các quỹ đạo của đường cắt Với các điều kiện mài thông thường, các công thức trên cho các giá trị độ nhám thấp phi thực tế

Hình 1.18 Mô hình tính toán độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài [53]

* Tính độ nhám theo kinh nghiệm:

Phân tích độ nhám bề mặt lý tưởng cung cấp các cách nhìn vật lý về việc bề mặt mài được tạo ra như thế nào và điều gì quyết định đến độ nhám bề mặt Tuy nhiên, các mối

quạn hệ đó khi sử dụng vào thực tế sẽ bị hạn chế trong việc dự báo thông số sửa đá và thông số mài ảnh hưởng như thế nào đến độ nhám thực của bề mặt, để đạt được mục đích này cần phải nhờ vào quan hệ thực nghiệm

Điểm xuất phát cho thực nghiệm là mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và thông số mài được giả thuyết là có quan hệ trực tiếp với chiều dày phoi không biến dạng Khi mài trụ tiến dao hướng kính, độ nhám bề mặt theo thực nghiệm có thể xác định như sau: [53]

x

s w x

s

w a

v

a v R v

Q R

1.4.2.1 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt

Ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết mài không lớn bằng ảnh hưởng của lượng tiến dao vì vậy để tăng năng suất mà không giảm độ nhẵn bóng bề mặt ta có thể tăng chiều sâu cắt và giảm lượng tiến dao

Khi mài thô, nên chọn chiều sâu mài lớn nhất cho phép theo cỡ hạt và công suất máy Chiều sâu mài không nên lớn hơn 5% kích thước tiết diện của hạt mài Ví dụ, với đá mài có

cỡ hạt 800m, chiều sâu mài chọn ≤ 0.04 mm Nếu chiều sâu mài chọn lớn hơn giá trị trên, khe hở giữa các hạt mài sẽ nhanh chóng bị phoi kim loại điền đầy và đá sẽ không còn khả năng cắt gọt nữa

Khi chi tiết có độ cứng vững kém và khi chi tiết xuất hiện vết cháy, cần giảm chiều sâu cắt mài Khi mài tinh nên chọn chiều sâu cắt bé để nâng cao độ chính xác và độ nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết Vật liệu có độ cứng càng cao thì chọn chiều sâu mài càng bé Khi mài tinh mặt trụ ngoài, chiều sâu cắt dao động từ 0,005mm ÷ 0,015mm, còn khi mài thô từ 0,010mm ÷ 0,025mm Khi mài phẳng chiều sâu cắt từ 0,01mm ÷ 0,05mm [5]

Tốc độ cắt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết mài Nhấp nhô tế vi bề mặt giảm khi tốc độ quay của đá tăng Tốc độ cắt khi mài thường dùng trong khoảng 28 ÷ 35m/s, ngoài ra trong một số trường hợp người ta có thể dùng tốc độ mài tới 60m/s hoặc cao hơn nữa Trên hình 1.19 là ảnh hưởng của tốc độ mài đến độ nhám