Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------- -------- PHẠM HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BỀ MẶT ĐỊNH HÌNH TRÊN MÁY PHAY CNC SỬ DỤNG ĐÁ MÀI CBN. Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số : 60.52.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN MINH ĐỨC THÁI NGUYÊN – NĂM 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Phạm Hồng Hải - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2011- 2013 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng, tôi lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN” Đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Trần Minh Đức và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành. Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo đã đƣợc ghi rõ trong Luận văn. Thái Nguyên, ngày 17 tháng 11 năm 2014 Học viên Phạm Hồng Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Trần Minh ĐứcThầy đã tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này. Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận đƣợc những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Phạm Hồng Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii MỤC LỤC ................................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................... ix PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu là :..........................................................................................2 3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc ..................................................................................3 4. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................3 5. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ...................................................................3 7. Nội dung của luận văn.............................................................................................4 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÀI ........................................................................5 1.1. Tổng quan về công nghệ mài ...............................................................................5 1.1.1. Tổng quan về công nghệ mài ............................................................................5 1.1.2 Lực cắt khi mài .................................................................................................10 1.1.3. Nhiệt cắt khi mài .............................................................................................12 1.1.4. Công suất cắt khi mài ......................................................................................14 1.1.5. Rung động khi mài ..........................................................................................14 1.1.6. Chất lƣợng bề mặt sau mài ..............................................................................15 1.2. Mài các bề mặt định hình ...................................................................................20 1.2.1. Yêu cầu kỹ thuật của các chi tiết định hình ....................................................20 1.2.2. Các phƣơng pháp mài định hình ....................................................................20 1.2.3. Các khó khăn khi mài bề mặt định hình.........................................................21 1.3. Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài và định hƣớng nghiên cứu .................................................................................................................22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 1.3.1. Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài ..........................22 1.3.2. Định hƣớng nghiên cứu...................................................................................23 CHƢƠNG II.NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BẰNG ĐÁ CBN 24 ĐỂ GIA CÔNG CÁC MẶT ĐỊNH HÌNH ................................................................24 2.1. Đặc tính của đá mài CBN...................................................................................24 2.1.1. Độ cứng ...........................................................................................................24 2.1.2. Tính chống mòn ..............................................................................................25 2.1.3. Tính dẫn nhiệt .................................................................................................25 2.1.4. Độ bền nén ......................................................................................................28 2.1.5. Lực cắt .............................................................................................................28 2.2. Mòn và tuổi bền của đá mài ...............................................................................31 2.2.1. Mòn của đá mài ...............................................................................................31 2.2.2. Tuổi bền của đá mài ........................................................................................32 2.3. Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của các yếu tố đến chất lƣợng bề mặt gia công khi mài bằng đá mài CBN .........................................................................................33 2.3.1. Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt mài ..............................................................33 2.3.2. Ảnh hƣởng đến cấu trúc lớp bề mặt mài .........................................................38 2.3.3. Ảnh hƣởng đến ứng suất dƣ lớp bề mặt mài ...................................................39 2.4. Mài bề mặt định hình bằng đá CBN trên máy Phay CNC .................................41 2.5. Giới hạn vấn đề nghiên cứu ...............................................................................43 2.6. Kết luận ..............................................................................................................45 CHƢƠNG III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................................46 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm.....................................................................46 3.2. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm .................................................................46 3.3. Thiết bị thí nghiệm .............................................................................................46 3.3.1. Máy phay CNC ...............................................................................................46 3.3.2. Đá mài .............................................................................................................47 3.3.3. Tƣới nguội .......................................................................................................49 3.3.4. Phôi thí nghiệm ...............................................................................................50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 3.3.5. Thiết bị đo .......................................................................................................50 3.4. Trình tự thí nghiệm ............................................................................................52 3.4.1. Chuẩn bị ..........................................................................................................52 3.4.2. Tiến hành thí nghiệm ......................................................................................52 3.4.3 Xử lý kết quả thí nghiệm ..................................................................................55 3.5. Thảo luận kết quả thí nghiệm .............................................................................60 3.5.1. Nhám bề mặt ...................................................................................................60 3.5.2.Chất lƣợng bề mặt gia công .............................................................................61 3.5.3. Cấu trúc lớp kim loại bề mặt gia công ............................................................61 3.5.4. Sai lệch kích thƣớc ..........................................................................................62 3.5.5. Hiệu quả kinh tế ..............................................................................................62 3.6. Kết luận chƣơng 3 ..............................................................................................62 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................64 1. Kết luận chung ......................................................................................................64 2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo ..................................................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị β Góc cắt Độ γ Góc trƣớc Độ ρ Bán kính lƣỡi cắt mm Py Thành phần lực cắt tiếp tuyến N Pz Thành phần lực cắt pháp tuyến N Sn Lƣợng chạy dao ngang m/ph Sd Lƣợng chạy dao dọc khi mài m/ph nđ Tốc độ quay của đá Vòng / ph nct Tốc độ quay của chi tiết Vòng/ ph az Chiều dày cắt phoi mm t Chiều sâu vết cắt mm a’z Chiều dày phoi thực tế mm Piz Thành phần lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến tác dụng N lên một hạt mài Piy Thành phần lực cắt theo phƣơng pháp tuyến tác dụng N lên một hạt mài Kµ Hệ số lực cắt Pi Lực cắt tác dụng lên một hạt mài N Px Thành phần lực dọc theo phƣơng chạy dao N Tm Nhiệt độ mài Độ Vd Tốc độ đá mài m/ph p Áp lực riêng ở vùng tiếp xúc kg/m2 l Chiều dài cung tiếp xúc N Công suất mài km Độ cứng tĩnh của máy KN/mm2 kc/b Độ cứng cắt trên đơn vị chiều rộng mài KN/mm2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên cm J/mm3 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii KN/mm2 ka/b Độ cứng tiếp xúc trên đơn vị chiều rộng mài vct Tốc độ của chi tiết gia công m/ph Ssđ Lƣợng chạy dao dọc khi sửa đá m/ph tsđ Chiều sâu cắt khi sửa đá mm B Bề rộng mài mm De Đƣờng kính tƣơng đƣơng của đá mài mm τbd Thời gian mòn ban đầu phút ubd Độ mòn ban đầu µm τ1 Thời gian mòn bình thƣờng phút u1 Độ mòn bình thƣờng µm Thông số đánh giá độ nhám bề mặt gia công µm Ra, Rz Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý các phƣơng pháp mài phẳng ............................................7 Hình 1.2. Các dạng có thể có của lƣỡi cắt...................................................................8 Hình 1.3. Quá trình tạo phoi khi mài ..........................................................................9 Hình 1.4. Nhiệt và sự phân bố năng lƣợng khi mài ..................................................12 Hình 1.5. Sự hình thành độ nhám bề mặt [4] ............................................................15 Hình 1.6. Ảnh SEM bề mặt mài [14] ........................................................................16 Hình 1.7. Cấu trúc lớp bề mặt [14 .............................................................................18 Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn độ cứng của các loại hạt mài [6] ....................................24 Hình 2.2. So sánh tính chống mài mòn của đá CBN với các vật liệu khác nhau [16]...... 25 Hình 2.3. Lực cắt khi mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá CBN [26]. .....................28 Hình 2.4. Lực cắt khi mài bằng các loại đá khác nhau [13]......................................29 Hình 2.5. Ảnh hƣởng của vận tốc đá đến lực cắt khi mài bằng đá CBN [15 ] .........30 Hình 2.6. Quá trình mòn của đá ................................................................................32 Hình 2.7. Ảnh hƣởng của loại dung dịch trơn nguội ................................................34 Hình 2.7. Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với các loại dung dịch trơn nguội khác nhau [28]. ..........................................................................................................35 Hình 2.8. Ảnh SEM trạng thái bề mặt khi mài bằng đá mài CBN với vận tốc đá khác nhau [29] ...........................................................................................................36 Hình 2.9. Ảnh hƣởng của vận tốc đá đến độ nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN [29] ............................................................................................................................36 Hình 2.10. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ nhám bề mặtkhi mài bằng đá CBN [30] ...................................................................................................................37 Hình 2.11. Ảnh hƣởng của độ hạt đá mài CBN đến độ nhám bề mặt mài [31] ........38 Hình 2.12 . Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng tƣới nguội tới nhiệt độ mài khi mài bằng đá CBN [32] ...................................................................................................................39 Hình 2.13. Ứng suất dƣ với các loại dung dịch trơn nguội khi mài bằng đá CBN và Al203 [33] .................................................................................................................40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x Hình 2.14. Ảnh hƣởng của vận tốc đá đến ứng suất dƣ khi mài bằng đá CBN [34] ......41 Hình 2-15: Các bề mặt định hình ..............................................................................42 Hình 3.1. Máy phay CNC YDC - 96.........................................................................46 Hình 3.2. Đồ gá lắp đá mài CBN lên lên máy phay CNC ........................................47 Hình 3.3. Đá mài CBN 125D-3X- 19T-31.75H, CBN 400N85B3,0 ........................49 Hình 3.4. Máy đo độ nhám Mytutoyo SJ – 201 ........................................................51 Hình 3.5. Kính hiển vi OLYMPUS GX51 ................................................................51 Hình 3.7. Tiến hành gia công bằng đá CBN trên máy phay CNC YDC - 96 ..........54 Hình 3.8. Sản phẩm sau khi gia công mài .................................................................54 Hình 3.9. Đồ thị phân bố nhám bề mặt .....................................................................55 Hình 3.10. Đồ thị phân bố sai lệch kích thƣớc lớn nhất ...........................................57 Hình 3.11. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài Hải Dƣơng...............58 Hình 3.12. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài CBN ........................58 Hình 3.13. Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng đá mài Hải Dƣơng .59 Hình 3.14. Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng CBN................59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lƣợng hợp kim [4]. .13 Bảng 2.1. Một vài số liệu về hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN và Al203 [24].. .......26 Bảng 2.2. Hệ số dẫn nhiệt lý thuyết và thực nghiệm của đá CBN và Al203 [24]. ...27 Bảng 2.3. Nhiệt độ khi mài khô bằng đá mài Al203 và CBN [25]. ..........................27 Bảng 2.4. Nhiệt độ khi mài ƣớt bằng đá mài Al203 và CBN [25].. .........................27 Bảng 2.5. Giá trị của Rw khi mài bằng đá mài CBN và Al203 [25] ........................39 Bảng 3.1.Kết quả đo nhám trung bình ......................................................................55 Bảng 3.2.Kết quả đo sai lệch kích thƣớc lớn nhất ....................................................56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Mài là một phƣơng pháp gia công tinh đƣợc sử dụng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy. Mài đặc biệt chiếm ƣu thế khi gia công tinh các chi tiết đã tôi cứng, các chi tiết có độ cứng, độ bền cao vv... Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp phát triển. Các chi tiết máy có độ chính xác, chất lƣợng bề mặt và độ bền cao là cơ sở cho sự ra đời các loại máy móc, thiết bị hiện đại, có chất lƣợng cao (độ chính xác, độ tin cây, độ bền cao…). Phƣơng pháp mài có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí, nhờ khả năng vƣợt trội so với các phƣơng pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao cho độ chính xác và chất lƣợng bề mặt cao. Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về phƣơng pháp tiện cứng và phay cứng bằng mảnh dao CBN để gia công tinh các vật liệu khó gia công đã qua tôi. Tuy nhiên, xét về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, khi gia công những chi tiết yêu cầu độ chính xác và chất lƣợng bề mặt rất cao thì chƣa có phƣơng pháp nào thay thế đƣợc cho phƣơng pháp mài. Các loại vật liệu hạt mài thông thƣờng gồm Ôxit nhôm, cacbit silic, cacbit Bo … Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá mài sử dụng những loại vật liệu hạt mài này bị hạn chế (đặc biệt khi mài những vật liệu khó gia công) do sau một thời gian làm việc đá mòn và phải sửa lại đá. Việc phát minh ra loại vật liệu hạt mài siêu cứng là cubic boron nitride (CBN) đã góp phần cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế kỹ thuật của phƣơng pháp mài. Vật liệu hạt mài này đƣợc các nƣớc công nghiệp tiên tiến ứng dụng nhiều vào việc gia công cơ khí từ những năm 70 của thế kỷ 20. Vật liệu CBN có độ cứng cao gần gấp đôi oxide nhôm và khả năng chịu nhiệt đến 13710C [16]. Do độ cứng cao, đá mài làm bằng CBN có khả năng duy trì dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lƣợng bề mặt gia công cao và ổn định. Ngoài ra, đá mài CBN còn có khả năng lấy đi lƣợng dƣ đều đặn trên bề mặt của chi tiết gia công mà không cần bù độ mòn của đá mài. Từ trƣớc tới nay mài bằng đá mài CBN đƣợc nhiều nhà khoa học các nƣớc 2 quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhƣng ở Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu về lĩnh vực này đƣợc công bố, việc sử dụng đá mài CBN vào sản xuất cũng chƣa phổ biến. Tuy nhiên việc đánh giá ảnh hƣởng của chế độ cắt để đảm bảo chất lƣợng bề mặt gia công đồng thời tăng tuổi bền của đá mài trong quá trình mài chƣa có công trình nghiên cứu nào đề cập đến nhất là trong trƣờng hợp gia công các khuôn cắt cũng nhƣ chày dâp. Hiện nay các loại thép có độ cứng chính xác bề mặt. Xuất phát từ nhu cầu sử dụng và khai thác thiết bị thực tế của trƣờng Cao đẳng nghề cơ điện Phú thọ, nhà trƣờng đƣợc trang bị một máy mài phẳng năm 2008 nhƣng từ đó đến nay nhà trƣờng mới chỉ khai thác để mài các loại thép thƣờng với đá mài Hải Dƣơng. Nhu cầu mài các chi tiết có độ chính xác, chịu tải va đập lớn, chịu mài mòn và chịu ăn mòn hóa học cao là rất lớn. Việc nghiên cứu công nghệ mài các loại thép này đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đồng thời tăng tuổi bền cho đá đảm bảo hiệu quả kinh tế và phát huy hết tính năng của máy ứng dụng trong sản xuất cũng nhƣ trong giảng dạy của nhà trƣờng là rất cần thiết. Mặt khác trong thực tế sản xuất khi mài các mặt định hình nhà trƣờng chƣa có máy mài CNC nên gặp khó khăn trong gia công. Các chi tiết định hình gia công bằng phƣơng pháp mài yêu cầu phải đảm bảo độ chính xác về kích thƣớc. Đạt độ đồng tâm giữa các bề mặt định hình với đƣờng tâm chi tiết. Đảm bảo độ sai lệch về hình dạng hình học, độ côn, độ ôvan..trong phạm vi cho phép vad đảm bảo về độ nhẵn bóng bề mặt . Để giải quyết đƣợc các vấn đề này trong khi chƣa có máy mài CNC thì việc ứng đụng khả năng công nghệ máy phay CNC để mài định hình theo Contuor trên máy CNC là cần thiết. Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN", 2. Mục tiêu nghiên cứu là : Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài CBN khi mài bề mặt định hình bằng đá 3 mài CBN và đá mài Al2O3 do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất với vật liệu là thép 9XC nhiệt luyện trên máy phay CNC; Chỉ tiêu đánh giá là nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc bề mặt gia công. 3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc - Đƣa ra phƣơng pháp mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài CBN cho chất lƣợng bề mặt tốt, đảm bảo hiệu quả kinh tế. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong đó thực nghiệm là chủ yếu 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về mài và chất lƣợng bề mặt gia công và các yếu tố ảnh hƣởng đến các thông số đặc trƣng cho chất lƣợng bề mặt gia công bằng phƣơng pháp mài. - Nghiên cứu tổng quan về các đặc tính cắt gọt của đá mài và chất lƣợng bề mặt mài bằng đá CBN; - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC. Đánh giá chất lƣợng bề mặt mài bằng đá CBN khi mài thép 9XC nhiệt luyện trên máy mài phay CNC theo chỉ tiêu nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc gia công. 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: + Bổ sung lý thuyết về công nghệ mài nói chung và mài bề mặt định hình nói riêng. + Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc nghiên cứu tối ƣu hoá quá trình mài. + Đề tài bổ sung đƣợc một số kết quả nghiên cứu cơ bản về mài bề mặt định hình thép 9XC trong điều kiện kỹ thuật và công nghệ cụ thể ở Việt Nam. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài CBN vào gia công cơ khí ở Việt Nam nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. 4 7. Nội dung của luận văn Kết cấu của luận văn bao gồm ba chƣơng và phần kết luận chung Chương 1: Tổng quan về mài Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bằng đá CBN để gia công các mặt định hình Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm . Kết luận chung. 5 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÀI 1.1. Tổng quan về công nghệ mài 1.1.1. Tổng quan về công nghệ mài a. Đặc điểm, ý nghĩa của quá trình mài Mài là một phƣơng pháp gia công cắt gọt kim loại tốc độ cao bằng một số lƣợng lớn các lƣỡi cắt rất bé của hạt mài. Các hạt mài đƣợc giữ chặt trong đá mài bằng chất kết dính. Mài có nhiều đặc điểm khác biệt so với các phƣơng pháp gia công cắt gọt khác: - Đá mài là loại dụng cụ cắt có rất nhiều lƣỡi cắt không liên tục đồng thời tham gia cắt, các lƣỡi cắt đƣợc tạo ra bởi các hạt mài có kích thƣớc rất nhỏ, có hình dáng rất khác nhau và phân bố lộn xộn trong chất dính kết. Đa số các hạt mài có nhiều lƣỡi cắt, có góc lƣợn ở đỉnh và có góc cắt không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt: Góc trƣớc thƣờng âm và góc cắt thƣờng lớn hơn 900, có bán kính ở các lƣỡi cắt. - Tốc độ cắt khi mài rất cao, thƣờng Vd = 30 35 m/s, tốc độ có thể lên tới 100 m/s hoặc cao hơn. Tiết diện phoi mài rất bé. - Do góc cắt không hợp lý, tốc độ cắt cao nên nhiệt độ ở vùng cắt khi mài rất lớn (1000 ÷ 15000 C) làm thay đổi cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt. - Khi mài, mỗi hạt mài tạo ra một phoi riêng biệt có kích thƣớc rất nhỏ, số lƣợng phoi tạo ra trong một đơn vị thời gian rất lớn (hàng nghìn phoi trong một phút), vì thế có thể coi quá trình mài là quá trình cào xƣớc tế vi bề mặt gia công tạo ra độ nhẵn bóng và độ chính xác cao. - Hạt mài có độ cứng cao, cắt gọt không liên tục nên có thể gia công đƣợc những vật liệu rất cứng mà các dụng cụ khác không cắt đƣợc nhƣ thép tôi, hợp kim cứng, thép bền nhiệt nhƣng lại không gia công đƣợc những vật liệu rất mềm. - Lực cắt khi mài thƣờng không lớn (trung bình vào khoảng 300N - 400N) vì tiết diện của phoi hạt mài rất bé. Thƣờng P y = (1,5 ÷ 3) Pz, lực Px bé hơn lực Pz nhiều. Tuy nhiên công suất tiêu hao khi mài rất lớn vì tốc độ cắt khi mài rất cao [1]. - Trong quá trình cắt, đá mài có khả năng tự mài sắc: Dƣới tác dụng của tải trọng cơ, nhiệt các hạt mài đã mòn bật ra khỏi bề mặt đá tạo điều kiện cho những 6 hạt mài mới tham gia vào quá trình cắt, ngoài ra một số hạt mài vỡ tạo thành những lƣỡi cắt mới. - Do hiện tƣợng tự mài sắc cũng nhƣ không thể chủ động thay đổi đƣợc hình dáng và vị trí của hạt mài trong đá mài cho nên việc nghiên cứu và điều khiển quá trình mài gặp nhiều khó khăn, các quy luật của quá trình mài chƣa đƣợc nghiên cứu toàn diện. Do những đặc điểm trên, đặc biệt là khả năng gia công các vật liệu có độ cứng và độ bền cao cho độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên phƣơng pháp mài có vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại. Mặc dù đƣợc sử dụng cả trong gia công thô nhƣng chỉ trong gia công tinh thì những ƣu thế của phƣơng pháp mài mới thực sự đƣợc phát huy, vì vậy mài thƣờng đƣợc chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối các bề mặt. Trong tổng số máy công cụ, máy mài chiếm đến 30%, còn trong một số ngành đặc biệt nhƣ chế tạo vòng bi máy mài chiếm đến 60% [1]. Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những loại vật liệu có tính năng cơ học cao, khó gia công ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi. Những đòi hỏi về độ chính xác và chất lƣợng gia công ngày càng cao thì mài càng đƣợc quan tâm nghiên cứu và sử dụng rộng rãi hơn bất kỳ một dạng gia công cơ nào khác. Do đó mài luôn đƣợc nghiên cứu và mở rộng. b. Khả năng công nghệ của mài Mài có thể gia công đƣợc hầu hết các dạng bề mặt: Mặt trụ ngoài, mặt trụ trong, mặt phẳng, mặt định hình v.v.... Ngoài ra mài còn có khả năng gia công đƣợc những chi tiết khó định vị và kẹp chặt nhƣ: Xéc măng, viên bi v.v.... Mài có khả năng đạt độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao: Khi mài tinh có thể đạt cấp chính xác 5 - 6, nhám bề mặt Ra = 0,1 - 0,2 m. Mài có khả năng gia công đƣợc hầu hết các loại vật liệu nhất là các loại vật liệu mới có cơ lý tính cao (độ bền, độ cứng, độ chịu nhiệt, chịu mài mòn). Lĩnh vực ứng dụng khác mà không có phƣơng pháp nào cạnh tranh đƣợc với mài là trong gia công tạo hình các loại vật liệu đặc biệt cứng hoặc đặc biệt giòn. Trong sản xuất các chi tiết thép tôi nhƣ dụng cụ cắt, ổ lăn 7 mài có thể gia công khá dễ dàng trong khi các phƣơng pháp gia công truyền thống khác gặp khó khăn. Vì vậy mài ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Sn Sn nđ Sd nđ Sd nđ nct Vd a b Sn nđ nđ Sn Vd nct c d Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý các phương pháp mài phẳng a, b - Mài phẳng bằng chu vi đá c, d - Mài phẳng bằng mặt đầu đá c. Quá trình tạo phoi khi mài Các hạt mài có độ cứng tế vi cao hơn nhiều so với độ cứng của vật liệu chi tiết gia công. Các hạt mài có đặc điểm là rất giòn nên trong quá trình cắt, chúng thƣờng vỡ vụn thành nhiều mảnh có hình dáng bất kỳ và nhiều cạnh sắc. Các hạt mài đƣợc phân bố trong chất dính kết ngẫu nhiên. Do có nhiều lƣỡi cắt có hình dáng bất kỳ và các lƣỡi cắt luôn thay đổi trong quá trình mài nên việc theo dõi hình dáng của từng lƣỡi 8 cắt phải mất rất nhiều công sức. Để có thể hiểu đƣợc hình dáng của một lƣỡi cắt, chúng ta cần xác định mặt cắt của dao bằng thống kê. Sau đó mô tả hình dáng, kích thƣớc của hạt mài một cách trung bình. Trên (hình 1. 2) là hai mặt cắt đặc trƣng của hạt mài. Hình (1.2a) mô tả mặt cắt trung bình của lƣỡi cắt tƣơng tự khi gia công bằng dao có lƣỡi cắt xác định (tiện, phay ). Lƣỡi cắt có hình dạng là cung tròn có bán kính cắt với chiều dày cắt phoi az . Độ sắc của lƣỡi s đƣợc định nghĩa nhƣ sau: s Phương mài Hạt mài (1.1) az Phương mài Hạt mài Phương mài Hạt mài az b - Dạng I a c - Dạng II Hình 1.2. Các dạng có thể có của lưỡi cắt Các dạng có thể có của lƣỡi cắt: Dạng I: Giống với dạng lƣỡi cắt của dụng cụ có lƣỡi cắt xác định với góc trƣớc ; góc sau (hình 1.2 b). Dạng II: Trên đỉnh lƣỡi cắt có diện tích mòn m với chiều dài trung bình của diện tích mòn là Lm . Có thể coi diện tích mòn là một phần của mặt sau và ma sát của mặt này tƣơng tự ma sát trên mặt sau của dao tiện (hình 1.2 c). Các nghiên cứu đều cho rằng, các lƣỡi cắt chỉ bền vững khi có thể đặt đến giá trị - 800 [9], [10], [14] 00. Thƣờng 9 Quá trình tạo phoi khi mài đƣợc mô tả trên hình 1.3 [10]. Py Hạt mài Phần nhô lên của vật liệu Phoi a’z z a’z z aaz z Vd Pz I IIII Biến dạng đàn hồi Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo III III Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và tách phôi Hình 1.3. Quá trình tạo phoi khi mài Do mũi dao có bán kính và do góc ăn tới của lƣỡi cắt nhỏ nên giai đoạn đầu không tạo phoi mà vật liệu gia công bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, bị đẩy sang hai bên của lƣỡi cắt hoặc chảy qua mặt dƣới của lƣỡi cắt sang mặt sau của hạt mài. Khi lƣỡi cắt tiếp tục ăn sâu vào chi tiết thì chiều dày phoi az tƣơng ứng với chiều sâu vết cắt t và lúc này bắt đầu tạo phoi. Tiếp theo là quá trình tạo phoi, dồn ép kim loại gây biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi xảy ra đồng thời. Do vậy, chiều dày phoi thực tế a’z nhỏ hơn chiều sâu cắt thực tế t . Thời gian của mỗi giai đoạn trong quá trình tạo phoi là rất ngắn do quá trình tạo phoi xảy ra rất nhanh, khoảng từ 0,001 - 0,005 (s). Các nghiên cứu cho thấy rằng az', t phụ thuộc vào hình dáng hình học của lƣỡi cắt, vào góc tác dụng , vào vận tốc cắt vd . Ngoài ra a’z còn phụ thuộc vào các yếu tố khác nhƣ: Các thành phần của lực cắt, vào cơ lý tính của vật liệu gia công. Khi lƣỡi cắt bị mòn ( lớn), góc nhỏ thì biến dạng vật liệu tăng lên mặc dù t lớn nhƣng a’z vẫn nhỏ. Khi tăng vc có ma sát giữa lƣỡi cắt và bề mặt mài thì a’z tăng. 10 1.1.2 Lực cắt khi mài Lực cắt tác dụng vào từng hạt mài trong quá trình cắt (hình 1.3) đƣợc chia làm hai thành phần: Lực tiếp tuyến Ptt và lực Phk [10]. Gọi Ptt Phk là hệ số lực cắt (1.2) Khi cắt, ở giai đoạn chƣa tạo phoi (giai đoạn I,II hình 1.3), thành phần lực Phk sẽ ép lƣỡi cắt vào bề mặt chi tiết do Phk có trị số lớn hơn rất nhiều so với Ptt ( nhỏ). Khi quá trình tạo phoi xảy ra thì Ptt tăng lên ( tăng). Lúc này Ptt gồm hai thành phần: Lực ma sát và lực tạo phoi. Qua nghiên cứu vết cắt, chiều sâu cắt không có biến dạng t và chiều dày phoi thực tế az' có thể rút ra một số kết luận sau: - Khi bán kính mũi dao nhỏ hoặc ma sát giữa dao và bề mặt gia công lớn thì quá trình tạo phoi xảy ra sớm. - Khi lớn và ma sát nhỏ thì quá trình dồn ép kim loại sẽ kéo dài, quá trình tạo phoi xảy ra muộn. Các hạt mài tạo ra phoi nhỏ, mảnh nên lực cắt do các hạt mài phát sinh nhỏ. Tuy nhiên khi mài có nhiều hạt đồng thời tham gia cắt nên tổng lực cắt của tất cả các lƣỡi khá lớn. Nếu gọi lực cắt tổng hợp tác dụng lên một hạt mài là Pi thì lực cắt khi mài đƣợc xác định theo công thức: n Pc Pi i 1 (N) Trong đó: n - Số hạt mài đồng thời tham gia cắt. Pi - Lực cắt tác dụng lên một hạt mài. Pc - Lực cắt tổng hợp khi mài. Lực tổng hợp Pc đƣợc chia thành 3 thành phần : (1.3) 11  Pc Trong đó:    P z P y Px (1.4) Pz - Thành phần lực tiếp tuyến. Py - Thành phần lực pháp tuyến. Px - Thành phần lực dọc theo phƣơng chạy dao. Thƣờng Py (1,5 3).Pz ; Px thƣờng rất bé so với Pz nên thƣờng bỏ qua. Thành phần lực tiếp tuyến Pz đƣợc tính theo công thức : Pz . 2 k vct 60.vd 2v ct . t 3 k 2 lk D d . d .D 1 k 2 .S d2 k .B k 1 (N) (1.5) Trong đó A và k là các hệ số mũ xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể. Từ (1.5) ta thấy: Lực Pz phụ thuộc vào tất cả các yếu tố khi mài trong đó vd và Sd có ảnh hƣởng lớn nhất tới lực Pz. Chiều sâu cắt thực tế t ảnh hƣởng tới Pz ít hơn. Khi tăng vd và độ hạt lực Pz giảm. Khi mài tỷ số lực cắt K đƣợc xác định theo biểu thức: K Pz Py (1.6) Hệ số lực cắt K biểu thị tƣơng quan ma sát tại vùng tiếp xúc giữa lƣỡi cắt và chi tiết gia công. 12 1.1.3. Nhiệt cắt khi mài Năng lƣợng và nhiệt cắt phân bố trong quá trình cắt nhƣ hình 1.4 [10]. Vd Chất kết dính Hạt mài Phoi Môi trường Ma sát phoi Năng lượng cắt Ma sát mặt trước Năng lượng dồn ép Chi tiết Hình 1.4. Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài Khi mài do các lƣỡi cắt bị mòn (hoặc do có lớn) nên năng lƣợng tiêu hao chủ yếu là do ma sát giữa mặt sau của dao với bề mặt gia công, do dồn ép gây biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo bề mặt chi tiết và biến thành nhiệt. Nhiệt sinh ra do năng lƣợng cắt và ma sát giữa phoi và mặt trƣớc của dao. Nguồn nhiệt sinh ra khi mài đƣợc truyền vào chi tiết, phoi, dụng cụ và môi trƣờng. Nhiệt truyền vào chi tiết chiếm tỷ lệ rất lớn trong tổng lƣợng nhiệt sinh ra. Nhiệt này làm thay đổi tổ chức tế vi của bề mặt chi tiết theo hƣớng không có lợi hoặc làm ôxy hóa bề mặt tùy theo thời gian tác động của nhiệt. Một phần nhiệt truyền vào dụng cụ. Nhiệt này sẽ làm suy giảm độ cứng, suy giảm tính cắt của các hạt mài và suy giảm tính năng của chất dính kết. Ngoài ra nguồn nhiệt này còn thúc đẩy các tƣơng tác hóa học xảy ra trong vùng cắt. 13 Để làm giảm ảnh hƣởng của nhiệt, ngƣời ta sử dụng hạt mài, đá... và dung dịch trơn nguội một cách hợp lý Hàm lƣợng hợp kim 2%Cr 0,025 12% Cr 0,050 18% w 0,070 2% Mn 0,078 1,1%C 0,102 Bảng 1. 1. Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim [4]. Nhiệt độ mài Tm có thể xác định theo công thức sau [3], [4]: Tm Trong đó: k . . p.(l.vd ) 0.5 0 ( C) ( . .c) 0.5 ( 1.7) k - Hệ số thực nghiệm. µ - Hệ số ma sát giữa đá và vật liệu gia công. p - Áp lực riêng ở vùng tiếp xúc (kg/m2). l - Chiều dài cung tiếp xúc (cm). vd - Tốc độ đá mài (m/ph). - Hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công (Kcal/cm.g.độ). - Khối lƣợng riêng của vật liệu gia công. c - Nhiệt dung của vật liệu gia công. Phƣơng trình (1.7) cho thấy nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: Chế độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu hạt mài, chất dính kết, độ xốp của đá mài, dung dịch trơn nguội và phƣơng pháp tƣới nguội. Tỷ lệ các nguyên tố hợp kim trong vật liệu là yếu tố ảnh hƣởng quyết định đến hệ số truyền nhiệt của vật liệu. Những vật liệu có số lƣợng và hàm lƣợng nguyên tố hợp kim cao thì hệ số truyền nhiệt thấp. Khi mài những loại vật liệu này nhiệt lan truyền chậm làm cho nhiệt độ vùng mài tăng cao, bề mặt chi tiết mài dễ bị cháy, nứt (bảng 1.1). 14 Khác với các phƣơng pháp cắt gọt khác, khi mài bằng đá thƣờng nhiệt độ mài chủ yếu truyền vào chi tiết gia công (65% 84%), phần còn lại truyền vào đá mài (11% 12%), vào dung dịch trơn nguội (4% 13%) và vào phoi không đáng kể (3% 7%) [4]. Để giảm nhiệt độ mài có thể dùng các biện pháp sau: - Giảm bớt chế độ cắt. - Dùng dung dịch trơn nguội và các biện pháp tƣới nguội tiên tiến. - Sử dụng những loại đá mài có bề mặt làm việc không liên tục, đá mài độ xốp cao. - Không mài khi đá quá mòn. Dùng những vật liệu hạt mài có khả năng cắt gọt cao. 1.1.4. Công suất cắt khi mài Công suất mài có thể xác định theo công thức: N Pz (1. 8) d Mặc dù lực cắt khi mài thƣờng nhỏ (vì tiết diện phoi cắt bé) nhƣng công suất mài lại lớn do tốc độ cắt khi mài rất cao (thƣờng d 30m / s ). 1.1.5. Rung động khi mài Rung động khi mài gồm hai loại rung: Rung động cƣỡng bức và tự rung. Các tác giả [11], [14] ...cho rằng nguyên nhân của rung động cƣỡng bức là do các bộ phận quay của hệ thống công nghệ nhƣ trục chính, puly, đá, rô to của động cơ không cân bằng gây ra. Tự rung phức tạp hơn nhiều so với rung động cƣỡng bức và đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này. Theo các tác giả [14]... thì tự rung xảy ra do hiện tƣợng không ổn định khi cắt gây ra sự thay đổi lực cắt mà những nguyên nhân chính là: Biến dạng đàn hồi cục bộ của đá và phôi, mòn đá không đều, hiện tƣợng tự mài sắc của đá mài, dao động xoắn của chi tiết gia công. Tự rung sẽ giảm và ổn định [14] nếu thỏa mãn điều kiện: Rem km Trong đó: 1 2k c 1 ka (1.9) 15 Rem - Đặc tính động lực học của máy; Rem =1 10 (giới hạn dƣới cho máy chống rung tốt, giới hạn trên cho máy chống rung kém). km - Độ cứng tĩnh của máy. kc/b - Độ cứng cắt trên đơn vị chiều rộng mài; kc/b = 2 10 KN/mm2. ka/b - Độ cứng tiếp xúc trên đơn vị chiều rộng mài; ka/b = 1 10 KN/mm2. Sự phối hợp đá mài - phôi có ảnh hƣởng quyết định tới kc và ka. Khi mài vật liệu khó gia công thì lực cắt lớn, tức là kc lớn và rung động lớn hơn, nếu giảm độ cứng đá sẽ làm giảm kc và ka. Nhƣ vậy đối với đá mài, đá mài nào có độ cứng lớn hơn, lực cắt nhỏ hơn, ít mòn, mòn đều và ít xảy ra hiện tƣợng tự mài sắc thì ít rung động và ổn định hơn, khả năng cắt gọt sẽ cao hơn. 1.1.6. Chất lƣợng bề mặt sau mài a. Nhám bề mặt Độ nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi các vết cào xƣớc chồng lên nhau của các điểm cắt có chiều cao không bằng nhau (hình 1.5). Hình 1.5. Sự hình thành độ nhám bề mặt [4] Khi mài bằng đá mài thƣờng thì độ nhám trung bình của bề mặt mài Ra = (0,15÷ 2,5) m. Với đá mài CBN, sau khi chuẩn bị đá ban đầu (điều chỉnh và sửa đá), độ nhám bề mặt mài ban đầu có thể đạt mức tƣơng đƣơng với đá mài thông thƣờng sửa đá lần cuối . Bằng cách chụp ảnh tế vi bề mặt mài, các nghiên cứu cho thấy độ nhám lý thuyết của bề mặt mài tăng lên do các hiện tƣợng sau [13]... - Vật liệu bị nén giãn sang hai bên đƣờng cắt. 16 - Kim loại dính vào các hạt mài rồi lại dính trở lại bề mặt phôi. - Các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi lõm trên bề mặt mài đồng thời tạo ra ứng suất tập trung. - Các vết nứt trên bề mặt mài do nhiệt mài. Các biện pháp làm giảm độ nhám bề mặt mài gồm: - Biến dạng đàn hồi theo phƣơng hƣớng kính của đá mài và việc chà sát đỉnh mòn của các hạt mài. - Sử dụng thành phần dung dịch trơn nguội phù hợp. - Có công nghệ tƣới nguội hợp lý. Hình 1.6. Ảnh SEM bề mặt mài [14] Độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố: - Sự hình thành nhám bề mặt trƣớc hết là do in dập quỹ đạo chuyển động của các hạt mài, vết của các hạt mài tạo ra biên dạng hình học tế vi trên bề mặt gia công. Chế độ cắt ảnh hƣởng tới quỹ đạo chuyển động của các hạt mài vì vậy ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt mài: Tăng Sd, vct làm tăng chiều sâu cắt az của các hạt mài, do đó độ nhám bề mặt tăng; tăng tốc độ cắt Vđ làm tăng sự "xếp chồng" đƣờng cắt của các hạt mài nên chiều sâu cắt az giảm dẫn đến độ nhám bề mặt mài giảm nhiều. Ngoài ảnh hƣởng trực tiếp nhƣ trên, chế độ cắt còn ảnh hƣởng gián tiếp đến độ nhám bề mặt qua các yếu tố: - Biến dạng đàn hồi của đá, của vật liệu gia công, nhiệt cắt và rung động (vì nhiệt cắt, rung động tăng thì nhám bề mặt tăng - Độ hạt và chế độ sửa đá (Ssđ, tsđ) có ảnh hƣởng tƣơng tự nhau đến nhám bề mặt mài: Hạt mài có kích thƣớc lớn hơn, sửa đá thô hơn dẫn đến độ nhám bề mặt tăng. 17 - Rung động làm tăng độ nhám bề mặt khi mài. - Mức độ biến dạng dẻo của vật liệu càng lớn thì độ nhám bề mặt càng cao: Khi mài vật liệu dẻo, dai cho độ nhám bề mặt cao hơn so với mài vật liệu cứng, giòn. - Nhiệt độ ở vùng mài càng cao thì vật liệu gia công ở lớp bề mặt càng biến dạng dẻo mạnh đồng thời còn có thể gây cháy, nứt bề mặt: Công nghệ tƣới nguội, hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công và của đá mài ảnh hƣởng tới nhiệt độ ở vùng mài qua đó ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt mài. b. Sóng bề mặt Rung động trong quá trình mài là nguyên nhân chủ yếu gây ra độ sóng của bề mặt mài. Nếu hệ thống công nghệ có rung động thì trên bề mặt mài sẽ hình thành sóng dọc và sóng ngang với bƣớc sóng khác nhau (từ vài phần mƣời milimet đến vài milimet). Rung động trong quá trình mài chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ cân bằng và hiện tƣợng tự mài sắc của đá mài. Độ sóng dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng. Bƣớc sóng dọc theo phƣơng mài có thể xác định theo công thức: Vct f Trong đó: (1.10) Vct - Tốc độ chi tiết gia công. f - Tần số rung động. Các nghiên cứu [14] cho thấy bƣớc sóng dọc theo phƣơng mài thƣờng lớn hơn nhiều so với bƣớc sóng ngang. Cũng nhƣ các quá trình gia công cắt gọt khác, rung động trong quá trình mài gồm rung động cƣỡng bức và tự rung, tuy nhiên có sự khác nhau ở chỗ tự rung trong quá trình mài lớn hơn nhiều so với rung động cƣỡng bức . c. Tính chất cơ lý lớp bề mặt Nhiệt độ mài rất lớn làm thay đổi cấu trúc lớp kim loại bề mặt mài. Kiểm tra kim tƣơng bề mặt mài thép đã tôi trên (hình 1.7) cho thấy [13], [14]: 18 - Lớp 1 đƣợc nung tới nhiệt độ điểm AC3 và đƣợc làm nguội nhanh, do đó lớp 1 bị tôi lại. - Lớp 2 đƣợc nung nóng ở nhiệt độ từ điểm AC1 đến điểm AC2 và làm nguội nhanh, do đó lớp 2 đƣợc tôi lại không đầy đủ. - Lớp 3 đƣợc nung nóng ở điểm AC1 nên lớp 3 đƣợc ram lại. - Lớp 4 bị nung nóng nên thể tích tăng nhƣng không đầy đủ (vì có liên kết với lớp 5). Kết quả: + Độ cứng lớp bề mặt giảm. + Lớp 1, 2, 3 không có ứng suất dƣ, lớp 4 có ứng suất dƣ nén, lớp 5 có ứng suất dƣ kéo. Khi mài thép đã tôi sẽ xảy ra cháy bề mặt mài nếu nhiệt độ mài vƣợt quá điểm AC3 và sau đó đƣợc làm nguội nhanh. Chiều sâu lớp bị cháy có thể tới 0,2 mm, độ cứng giảm nhiều và thƣờng phát sinh vết nứt. 1 2 4 3 5 Hình 1.7. Cấu trúc lớp bề mặt [14] Năng suất khi mài bị giới hạn bởi hiện tƣợng cháy bề mặt mài. Công suất mài tại ngƣỡng cháy bề mặt xác định theo công thức thực nghiệm [13]. Trong đó: Nch u0 b ct t B b De1/ 4 t1/ 4 u0, b - Các hệ số thực nghiệm. B - Bề rộng mài. De - Đƣờng kính tƣơng đƣơng của đá mài. 1/ 2 ct (1. 11) 19 Vct, t - Vận tốc chi tiết và chiều sâu mài. d. Cấu trúc tế vi lớp bề mặt Lực cắt khi mài không lớn so với các phƣơng pháp cắt gọt khác nhƣng do tốc độ cắt cao, góc cắt của các hạt mài không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt, sự tham gia cắt gọt của nhiều hạt mài và sự ma sát, cào miết của các hạt mài không cắt gọt làm cho nhiệt phát sinh trong vùng tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công rất lớn (1000 ÷ 1500oC). Nhiệt cắt khi mài lớn làm biến dạng mạng tinh thể của vật liệu. Kiểm tra kim tƣơng bề mặt mài của các loại thép đã tôi cho thấy có sự thay đổi cấu trúc, lƣợng ôstenit dƣ tăng lên chứng tỏ trong quá trình mài có sự tôi lại lần hai. Sự thay đổi cấu trúc lớp bề mặt chỉ xảy ra với các loại thép đã tôi cứng còn với những loại thép chƣa tôi, cấu trúc lớp bề mặt không thay đổi. Với bề mặt mài của thép đã tôi thì lớp ngoài cùng là lớp tôi lại có độ cứng giảm đi và có cấu trúc ôstenit và mactenxit tôi, lớp tiếp theo là lớp ram lại có cấu trúc trustit và mactenxit, lớp trong cùng có cấu trúc của lớp kim loại tôi ban đầu [4]. Trong trƣờng hợp mài với chế độ cắt lớn, đá bị cùn thì cháy sẽ xuất hiện ở bề mặt mài làm giảm độ cứng lớp kim loại bề mặt (từ 60 ÷ 65 HRC xuống còn 45 ÷ 55 HRC) đồng thời xuất hiện vết nứt trên bề mặt mài [4]. đ. Ứng suất dƣ lớp bề mặt Quá trình chuyển biến về cấu trúc của lớp kim loại bề mặt mài do nhiệt cắt cũng đồng thời làm xuất hiện ứng suất dƣ ở lớp kim loại bề mặt. Ứng suất dƣ hình thành trong quá trình mài do 3 tác động sau: - Sự co, dãn vì nhiệt. - Sự biến đổi pha do nhiệt độ mài cao. - Biến dạng dẻo gây ra do sự tác động qua lại của đá mài và phôi. Theo [8] các yếu tố ảnh hƣởng tới ứng suất dƣ trong lớp bề mặt mài gồm: - Điều kiện cắt (chiều sâu cắt, vận tốc đá, vận tốc chi tiết gia công). - Topography của đá mài (chế độ sửa đá, trạng thái mòn). - Đặc điểm của đá mài (loại và kích thƣớc hạt mài, cấu trúc đá, độ cứng đá và loại chất dính kết). 20 - Chế độ bôi trơn. Sự khác nhau về đặc điểm và topography của đá ảnh hƣởng đáng kể đến sự sinh nhiệt dẫn đến sự khác nhau về ứng suất dƣ. Vì tính chất nhiệt và tính chất cơ học của CBN tốt hơn của Al2O3, sự phân chia năng lƣợng nhiệt vào chi tiết gia công khi sử dụng đá CBN thấp nên hƣ hại do nhiệt giảm, cháy rất ít xuất hiện và ứng suất dƣ sinh ra chủ yếu là ứng suất dƣ nén [15], [16], [17]. Sự tồn tại ứng suất dƣ bên trong chi tiết ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng làm việc của chi tiết. Nếu trên bề mặt vật mài có lớp ứng suất dƣ nén thì chất lƣợng bề mặt chi tiết tốt, tăng độ bền mỏi của chi tiết. Ngƣợc lại nếu trên bề mặt chi tiết gia công có nhiều lớp ứng suất dƣ kéo, chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công giảm, dễ gây ra nứt và chi tiết có thể bị phá hủy đột ngột. 1.2. Mài các bề mặt định hình 1.2.1. Yêu cầu kỹ thuật của các chi tiết định hình Các chi tiết định hình gia công trên máy mài phẳng hay máy mài tròn cần phải đạt đƣợc các yêu cầu sau : - Đảm bảo độ chính xác về kích thƣớc - Đạt độ đồng tâm giữa các bề mặt định hình với đƣờng tâm chi tiết - Đảm bảo độ sai lệch về hình dạng hình học, độ côn, độ ôvan..trong phạm vi cho phép. - Độ nhẵn bóng bề mặt . 1.2.2. Các phƣơng pháp mài định hình a. Mài bề mặt có biên dạng cong bằng đá mài định hình Đá mài đƣợc sửa đặc biệt để tạo ra các bề mặt có hình dạng tƣơng ứng nhƣ sản phảm mài. Biên dạng của chi tiết gia công ngƣợc lại với biên dạng của đá mài. Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng trong gia công các sản phẩm nhƣ khi mài các rãnh thẳng hay mài ren Mài định hình rãnh thẳng : Các chi tiết có rãnh thẳng với biên dạng rãnh hình tròn, rãnh hình vuông hay rãnh hình thang... cần độ chính xác và độ bóng bề mặt cao thực hiện trên máy mài phẳng. Sau khi sửa đúng biên dạng của đá theo biên dạng 21 của rãnh cần mài, đá mài đƣợc lắp trên trục chính của máy, còn chi tiết đƣợc gá trên bàn từ. Việc điều chỉnh máy mài phẳng đƣợc thực hiện nhƣ mài mặt phẳng. Mài ren : Mài ren đƣợc thực hiện trên máy mài ren chuyên dùng, để nâng cao độ chính xác của ren đã đƣợc gia công nhƣ ren của ta rô, ren của dƣỡng, trục cán ren, trục vít... đã đƣợc nhiệt luyện. Mài ren đƣợc thực hiện theo các phƣơng pháp sau: Mài ren bằng đá một đầu mối và mài ren bằng đá có nhiều đầu mối theo phƣơng pháp tiến đá ngang và mài theo phƣơng pháp tiến dọc. b. Mài chép hình Mài chép hình là phƣơng pháp gia công tinh theo biên dạng chi tiết mẫu trên các máy mài chuyên dùng. thƣờng đƣợc áp dụng khi mài răng: Các loại bánh răng sau khi đƣợc gia công bằng phƣơng pháp phay bao hình, chép hình, để nâng cao độ chính xác, chất lƣợng của bánh răng sau khi phay và nhiệt luyện, ngƣời ta tiến hành mài răng trên máy mài chuyên dùng. Mài răng có thể thực hiện theo phƣơng pháp chép hình hoặc phƣơng pháp bao hình. c. Mài theo theo contuor Phƣơng pháp này có thể gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp mà nhiều khi phƣơng pháp mài chép hình không gia công đƣợc hoặc khó gia công. Thƣờng đƣợc áp dụng trong gia công khi mài định hình mặt tròn xoay. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện trên máy mài tròn vạn năng hoặc máy mài vô tâm. Trên máy mài tròn vạn năng thực hiện gia công chi tiết đƣợc gá trên mâm cặp hoặc chi tiết dài gá trên hai mũi tâm. Đá mài đƣợc sửa đúng hình dạng lồi hoặc lõm tƣơng ứng với mặt định hình cần mài, việc gá lắp và điều chỉnh máy mài tƣơng tự nhƣ mài chi tiết hình trụ trên máy mài tròn. 1.2.3. Các khó khăn khi mài bề mặt định hình khác nhau để khôi phục khả năng cắt và hình dáng đúng của bề mặt đá đúng với bề mặt cần gia công. - Mòn không đều vì sự mài mòn bề mặt làm việc của đá mài khi mài là một quá trình cơ - lý - hóa phức tạp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Đặc trƣng của đá, 22 tính chất vật liệu gia công, chế độ cắt - Do cấu trúc hình học tế v trình mài gặp nhiều khó khăn. Quá trình mài là quá trình cào xƣớc tế vi bề mặt, nên phoi tạo ra rất nhỏ. Để khắc phục các nhƣợc điểm trên dùng đá mài CBN để mài các bề mặt định hình. 1.3. Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài và định hƣớng nghiên cứu 1.3.1. Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài Do mài có vị trí quan trọng trong ngành chế tạo máy ( Đặc biệt là trong gia công tinh) và do những đặc điểm riêng biệt của quá trình cắt khi mài mà việc nghiên cứu điều khiển quá trình mài gặp nhiều khó khăn. Chính vì vậy mà đã có rất nhiều công trình nghiên cứu khác nhau trong lĩnh vực mài đã đƣợc công bố và đã ứng dụng có hiệu quả vào thực tế sản xuất. Tuy nhiên đến nay vẫn còn nhiều vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện. * Trên thế giới: - Ảnh hƣởng của cỡ hạt đến đặc tính của quá trình mài vật liệu Al/SiCpMMC bằng đá mài kim cƣơng đƣợc B.Anand Ronald, K.Sasikanth, L.Vijayaraghavan and R.Krishnamurthy nghiên cứu [18]. - Đặc tính cơ học và hiệu suất mài của hạt mài đa tinh thể CBN đƣợc Yoshio Ichida nghiên cứu [19] . - Thuật toán di truyền đa đối tƣợng áp dụng cho tối ƣu hóa (TƢH) quá trình mài phẳng đƣợc R. Soravanan, P. Asokan, M. Sachidanandam nghiên cứu [20]. - Tối ƣu hóa các thông số của quá trình mài sử dụng phƣơng pháp liệt kê đƣợc R. Gupta, K.S. Shishodia, G.S. Sekhon nghiên cứu [21]. - Mài điện hóa cho vật liệu gốm đƣợc T.M.A Maksoud, A.J. Brooks nghiên cứu [22] 23 - Nâng cao chất lƣợng bề mặt và các thuộc tính ma sát sử dụng phƣơng pháp đánh bóng bằng bi thép đƣợc N.S.M. El-Tayeb, K.O. Low, P.V. Brevern nghiên cứu [23]. - Những nghiên cứu mô hình hóa quá trình mài bằng phần tử hữu hạn (FE) đƣợc D.A. Doman, A. Warkentin, R. Bauer nghiên cứu. * Ở Việt Nam: Có nhiều công trình nghiên cứu về mài đƣợc kể đến nhƣ : Ảnh hƣởng của các thông số công nghệ sửa đá đến tuổi bền của đá mài khi mài tròn ngoài đƣợc tác giả [2] nghiên cứu. Nghiên cứu tối ƣu hóa các thông số của quá trình mài là một trong những hƣớng nghiên cứu thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong nƣớc. Nghiên cứu tối ƣu các thông số công nghệ của quá trình mài điện hoá bằng đá mài kim cƣơng khi gia công hợp kim cứng đƣợc nghiên cứu bởi tác giả [8]. Nghiên cứu quá trình mòn của đá mài và ảnh hƣởng của nó đến chất lƣợng bề mặt chi tiết khi mài phẳng đƣợc tác giả [7] nghiên cứu. Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng cũng đã đƣợc khảo sát ... 1.3.2. Định hƣớng nghiên cứu - Hiện nay các loại thép có độ cứng cao đƣợc sử dụng rất nhiều trong ngành cơ khí, đặc biệt trong ngành Dƣợc phẩm thì loại vật liệu này . Mà yêu cầu rất quan trọng đối với chính xác bề mặt. - Sử dụng máy CNC, hiện nay máy Tiện, phay CNC đƣợc sử rất rộng rãi trong sản xuất cũng nhƣ học tập nhƣng máy mài CNC các cơ sở sản xuất và các trƣờng dạy nghề chƣa có nhiều. - Mở rộng khả năng công nghệ máy phay CNC để mài định hình theo Contuor trên máy CNC ( Chế tạo đồ gá để lắp đá trên trục chính máy phay CNC). Kết luận Chƣơng 1: Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên, và nhu cầu sử dụng thực tế của trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ cũng nhƣ nhu cầu sản xuất khi chƣa có máy mài CNC tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN", là cần thiết có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 24 CHƢƠNG II. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BẰNG ĐÁ CBN ĐỂ GIA CÔNG CÁC MẶT ĐỊNH HÌNH 2.1. Đặc tính của đá mài CBN Bên cạnh các loại vật liệu hạt mài thông thƣờng nhƣ: Ôxit nhôm, cacbit silic, cacbit Bo, sự ra đời của vật liệu hạt mài siêu cứng CBN đã góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho nguyên công mài nhất là khi mài vật liệu khó gia công. Vật 0 liệu CBN có độ cứng chỉ sau kim cƣơng và khả năng chịu nhiệt đến 1371 C. Do có độ cứng cao và độ dai va đập lớn, đá mài làm bằng CBN có khả năng duy trì dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lƣợng bề mặt gia công cao và ổn định. Ngoài ra, đá mài CBN còn có khả năng lấy đi lƣợng dƣ đều đặn trên bề mặt của chi tiết gia công mà không cần bù độ mòn của đá mài. Hạt mài CBN đƣợc coi là loại vật liệu hạt mài tốt nhất hiện nay (the superabrasive) ứng dụng cho việc mài thép. Sự ƣu việt của hạt mài CBN thể hiện ở một số đặc tính chính là: Độ cứng, độ chịu mài mòn, độ bền nén, tính dẫn nhiệt, lực cắt những đặc tính này rất cần thiết khi mài các vật liệu siêu cứng và mài ở tốc độ tách bỏ vật liệu cao [6]. 2.1.1. Độ cứng Vật liệu CBN có độ cứng cao theo mọi hƣớng do sự định hƣớng ngẫu nhiên Độ cứng Knoop (Kg/mm2) của các tinh thể CBN. Hình 2.1 là đồ thị biểu diễn độ cứng của các loại hạt mài [6]. Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn độ cứng của các loại hạt mài [6] Đá mài kim cƣơng và đá mài CBN có nhiều tính chất tƣơng tự nhau nhƣng chúng có các ứng dụng khác nhau. Do kim cƣơng có thành phần cơ bản là Cacbon nên chúng phản ứng với sắt trong thép, khi làm việc ở tốc độ cao, lƣợng nhiệt phát 25 sinh lớn, ái lực của thép với cacbon tăng nhanh, các phân tử cacbon bị hút vào thép 0 làm cho kim cƣơng bị ăn mòn. Mặt khác ở nhiệt độ 600 ÷ 700 C khi kim cƣơng tiếp xúc với không khí sẽ bị ăn mòn do quá trình ôxy hóa. Do đó ngày nay đá mài CBN đƣợc coi là dụng cụ hảo hạng trong việc mài các vật liệu chứa sắt vì nó ổn định đến 0 1371 C và không phản ứng với sắt [16]. 2.1.2. Tính chống mòn So với các loại đá mài thông thƣờng thì đá mài CBN có khả năng duy trì độ sắc bén lâu hơn nhiều, do đó làm tăng năng suất và tăng độ chính xác gia công. Ngƣời ta đã tiến hành thực nghiệm để so sánh tính chống mài mòn của các loại hạt mài CBN, Al203 và kim cƣơng: Gắn một hạt mài mỗi loại vào một đĩa tròn tƣơng ứng có đƣờng kính 6'' và cho các đĩa chuyển động quay tròn. Sau mỗi vòng quay các hạt mài lần lƣợt khắc một vạch vào chi tiết mẫu làm bằng thép M2 nhiệt luyện (độ cứng HRC = 63). Kết quả thực nghiệm ghi lại trên (hình 2.2) cho thấy: Độ mòn của hạt mài CBN ở vòng quay thứ 1260 gần bằng độ mòn của kim cƣơng ở vòng quay thứ 150 và của Al203 ở vòng quay thứ 20. Nhƣ vậy tính chống mài mòn của CBN khi mài thép cao hơn 8 lần so với kim cƣơng và 63 lần so với Al203 [16]. Hình 2.2. So sánh tính chống mài mòn của đá CBN với các vật liệu khác nhau [16] 2.1.3. Tính dẫn nhiệt Một nhƣợc điểm cơ bản khi mài bằng đá mài thông thƣờng là ảnh hƣởng của nhiệt cắt tới chất lƣợng lớp bề mặt lớn và tạo ra ứng suất dƣ kéo làm giảm độ bền mỏi của chi tiết máy. Đá mài CBN có tính dẫn nhiệt tốt, tính chất này cho phép 26 nhiệt tỏa ra nhanh, nhất là khi mài các vật liệu cứng, vật liệu dai và ở tốc độ loại bỏ kim loại cao [6]. Bảng 2.1. Một vài số liệu về hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN và Al203 [24].. Vật liệu hạt mài Al203 Tài liệu trích dẫn ( W/mK ) Takazawa 1.55 Ramachandran et al. 6.3 Inasaki et al. 15 Shaw 16.7 To ¨nshoff et al. 27 Rowe et al. 35 Lavine et al. 46 Phanindrananth and Babu Ramesh 3.1 Universal Grinding Wheel Company 5.3 De Vries CBN Hệ số dẫn nhiệt 87 - 1300 Lavine and Jen 1300 Gardinier 1300 Rowe et al. 1300 Rowe et al. 240 Kumar 1300 Hiroshi and Kishi 1300 Shaw and Ramanath 87 Bailey 200 -700 Verniekes 200 - 700 Hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN lớn hơn rất nhiều so với đá mài thƣờng (bảng 2.1 và 2.2). Kết quả nghiên cứu của một số tác giả về độ dẫn nhiệt của đá mài CBN cũng nhƣ của các loại đá mài khác có sự khác nhau nhiều là do: - Phƣơng pháp nghiên cứu khác nhau (lý thuyết hay thực nghiệm). - Việc đo nhiệt độ trong quá trình mài rất phức tạp nên kém chính xác. 27 - Độ tinh khiết của vật liệu hạt mài khác nhau. Bảng 2.2. Hệ số dẫn nhiệt lý thuyết và thực nghiệm của đá CBN và Al203 [24]. Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) Phƣơng pháp xác định Lý thuyết Thực nghiệm Al203 CBN 1.5 ÷ 46 1300 35 240 Một số tác giả đã tiến hành thí nghiệm và so sánh nhiệt độ khi mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá mài thƣờng và đá mài CBN dƣới các điều kiện mài khác nhau, kết quả nhận đƣợc ở (bảng 2.3 và 2.4). Nhiệt độ mài (0C) Chiều sâu mài Malkin Kato/Takazawa Đo/hiệu chỉnh Chen (mm) Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN 0,017 566.66 113.34 535.25 127.65 526.64 127.56 514.62 142.08 0,024 654.9 226.76 622.5 240.56 606.15 237.91 606.15 237.91 0,035 845.29 183.19 792.36 196.14 777.71 195.52 638.86 219.74 0,031 1,004.81 263.22 927.09 278.12 921.4 273.38 777.12 272.60 Bảng 2.3. Nhiệt độ khi mài khô bằng đá mài Al203 và CBN [25]. Chiều sâu mài Nhiệt độ mài (0C) Malkin Kato/Takazawa Đo/hiệu chỉnh Chen (mm) Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN 0,0127 254.83 113.34 249.66 127.65 245.65 127.56 327.67 101.07 0,0254 441.16 197.08 427.48 211.37 416.26 209.03 416.26 209.03 0,0305 418.52 208.21 400.55 220.55 393.15 219.86 498.82 229.70 0,0381 682.09 240.23 651.62 255.37 630.65 252.01 630.65 261.86 Bảng 2.4. Nhiệt độ khi mài ướt bằng đá mài Al203 và CBN [25].. Từ các số liệu trên ta có nhận xét: Do hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN lớn nên nhiệt độ khi mài bằng đá mài CBN thấp hơn nhiều so với mài bằng đá mài thông thƣờng (nhiệt độ khi mài khô bằng đá CBN thấp hơn cả khi mài ƣớt bằng đá Al203) điều đó làm giảm đáng kể hƣ hỏng bề mặt gia công do nhiệt. Cũng do có 28 nhiệt độ mài thấp nên đá mài CBN còn đƣợc ứng dụng nhiều để mài khô. 2.1.4. Độ bền nén Độ bền nén của vật liệu là ứng suất cực đại mà khi nén vật liệu có thể chịu đƣợc trƣớc khi bị phá hủy. Độ bền nén cao của các tinh thể CBN làm cho các hạt mài CBN chịu đƣợc các lực lớn phát sinh trong quá trình cắt và các va đập xảy ra do cắt gọt gián đoạn. Đặc tính này làm tăng tuổi bền và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của đá mài CBN. 2.1.5. Lực cắt Với đá mài CBN, sau khi hiệu chỉnh và sửa đá, lực cắt ban đầu rất lớn nhƣng sau đó giảm liên tục đến giá trị ổn định (hình 2.3). Hình 2.3. Lực cắt khi mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá CBN [26]. Quan sát ảnh SEM bề mặt đá cho thấy nguyên nhân là do sau khi sửa đá các hạt mài nhô ra ít gây ra lực cắt cao, trong quá trình mài chất dính kết bị mòn làm cho các hạt mài nhô ra nhiều hơn nên lực cắt giảm. Qiang Liu và một số tác giả đã nghiên cứu lực cắt khi mài bằng các loại đá khác nhau, kết quả: - Khi mài tinh (với chiều sâu cắt t = 0,05 mm) đá mài CBN cho lực cắt nhỏ hơn các loại đá mài khác còn khi mài thô (với chiều sâu cắt t = 2 mm) thì ngƣợc lại (hình 2.4) [13]. Nhƣ vậy, đá mài CBN chỉ phát huy hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài tinh. - Khi mài bằng đá mài CBN, thành phần lực cắt pháp tuyến nhỏ hơn khi mài 29 bằng đá mài thông thƣờng do đó tốc độ bóc tách vật liệu cao hơn [26]. Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hƣởng của vận tốc đá đến lực cắt khi mài thép AISI 52100 bằng đá mài CBN cho thấy: Khi tăng vận tốc đá thì lực cắt pháp tuyến tăng nhẹ nhƣng lực cắt tiếp tuyến lại giảm do đó hệ số lực cắt giảm làm giảm hiệu quả bóc tách vật liệu (hình 2.5) [12]. Nhà sản xuất cũng khuyên sử dụng tốc độ hiệu quả của đá mài CBN từ 1750 ÷ 1850 m/phút khi mài ƣớt và từ 900 ÷ 120 m/phút khi mài khô [16]. Hình 2.4. Lực cắt khi mài bằng các loại đá khác nhau [13] 30 Hình 2.5. Ảnh hưởng của vận tốc đá đến lực cắt khi mài bằng đá CBN [15 ] 2.1.6. Rung động Rung động khi mài làm hạn chế năng suất, gây ra sai số gia công và tác động xấu đến chất lƣợng bề mặt. Rung động khi mài gồm hai loại là rung động cƣỡng bức và tự rung. Rung động cƣỡng bức gây ra do đá mài mất cân bằng, các bộ phận của hệ thống công nghệ quay nhanh nhƣng không cân bằng nhƣ: Trục chính, rô to của động cơ Tự rung thƣờng phức tạp hơn nhiều so với rung động cƣỡng bức. Nguyên nhân chính gây ra rung động tự rung là sự biến đổi của lực cắt do hiện tƣợng không ổn định của quá trình cắt (biến dạng đàn hồi cục bộ của đá và phôi, mòn đá không đều, hiện tƣợng tự mài sắc của đá mài, dao động xoắn của chi tiết gia công..). Trong quá trình mài bằng đá mài thông thƣờng thì rung động chủ yếu là tự rung [14]. Đá mài CBN không có khả năng tự mài sắc, tốc độ mòn chậm hơn nhiều so với đá mài thông thƣờng, do đó lực cắt ổn định và tự rung nhỏ hơn so với đá mài thông thƣờng [15]. 31 2.2. Mòn và tuổi bền của đá mài 2.2.1. Mòn của đá mài Mòn là quá trình thay đổi kích thƣớc, hình dạng và khả năng cắt của đá. Quá trình mòn của đá là một quá trình cơ, lý, hóa rất phức tạp. Chúng phụ thuộc vào tất cả các điều kiện khi gia công nhƣ: Các thông số kỹ thuật của đá mài, Topography, tính chất cơ lý của vật liệu gia công, chế độ công nghệ khi mài... Sự mài mòn bề mặt làm việc của đá ảnh hƣởng rất lớn đến các thông số trong quá trình mài (lực, nhiệt...) và kết quả mài. Đặc biệt ảnh hƣởng đến độ chính xác gia công và chất lƣợng bề mặt chi tiết. Vì mài chủ yếu là nguyên công gia công tinh lần cuối nên chất lƣợng chi tiết gia công sẽ là chỉ tiêu chủ yếu để đánh giá tuổi bền của đá mài. Nhiệm vụ nghiên cứu sự mài mòn của đá mài là phải xác định đƣợc sự ảnh hƣởng độ mòn đá đến các thông số về chất lƣợng gia công. Các dạng mòn cơ bản của đá mài : - Mài mòn đỉnh các hạt mài tạo ra các diện tích mòn trên bề mặt hạt mài. - Phá hủy tế vi hạt mài, các phần nhỏ của hạt mài bị tách ra khỏi hạt. - Hạt mài bị phá hủy, hạt bị vỡ thành các mảnh lớn và bật ra khỏi bề mặt của đá. - Hạt mài bị bật khỏi bề mặt làm việc của đá. - Hạt mài bị phá hủy do phản ứng hóa học ở vùng tiếp xúc giữa hạt mài và chi tiết gia công ở nhiệt độ cao (mòn do khuyếch tán hoặc do dính). - Mòn do phoi chèn ép vào khoảng không giữa các hạt làm mất khả năng cắt của đá. Các dạng mòn trên xuất hiện đồng thời trong quá trình mài, tuy nhiên tùy thuộc vào điều kiện gia công cụ thể sẽ luôn có những dạng mòn cụ thể xuất hiện nổi trội nhất. Trong quá trình mài, chất kết dính bị mòn do chịu tác động của tải trọng cơ nhiệt cũng nhƣ của các tƣơng tác hóa học của môi trƣờng mài. Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả đã chỉ rõ, quá trình mòn của đá chia làm ba giai đoạn (hình vẽ 2.6) [27]. 32 u ( m) u1 ubd (ph) I II (bd) 1 III Hình 2.6. Quá trình mòn của đá - Giai đoạn 1: Giai đoạn mòn ban đầu của đá. Thời gian mòn ban đầu nhƣng độ mòn ban đầu bd bd nhỏ lớn. Nguyên nhân: Sau khi sửa đá có nhiều hạt mài có vị trí và thông số hình học của lƣỡi cắt không thuận lợi cho quá trình cắt hoặc các hạt mài đƣợc giữ không chặt trong chất dính kết. Các hạt mài này liên tục bị bung ra khỏi chất dính kết. Thời gian và độ mòn ban đầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó ảnh hƣởng lớn nhất là phƣơng pháp và chế độ công nghệ khi sửa đá. - Giai đoạn 2: Giai đoạn mòn bình thƣờng. Thời gian làm việc của đá đƣợc 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 3: Giai đoạn mòn khốc liệt của đá. Lúc này các lỗ rỗng trên bề mặt đá bị phoi và các sản phẩm mòn lấp dầy, đá mài mất khả năng bị cắt vì vậy phải tiến hành sửa đá. 2.2.2. Tuổi bền của đá mài Khoảng thời gian làm việc liên tục của đá mài giữa hai lần sửa đá đƣợc gọi là tuổi bền của đá mài 33 Mài là một phƣơng pháp gia công tinh đƣợc sử dụng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy. Việc nghiên cứu nâng cao tuổi bền của đá mài có ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật rất lớn. Tuổi bền của đá mài đƣợc hiểu là khoảng thời gian làm việc liên tục của đá mài giữa hai lần sửa đá. Khái niệm về tuổi bền của đá mài phức tạp hơn nhiều so với khái niệm về tuổi bền của các loại dụng cụ cắt có lƣỡi cắt xác định khác vì đá mài có khả năng tự mài sắc. Do đặc điểm rất phức tạp của quá trình mài nên việc xác định tuổi bền của đá mài cũng rất phức tạp. Không thể nghiên cứu xây dựng một chỉ tiêu tổng quát để xác định tuổi bền của đá mài cho mọi trƣờng hợp. Việc xác định tuổi bền của đá mài phải xuất phát từ điều kiện gia công cụ thể. Để đánh giá tuổi bền của đá mài, có thể sử dụng các chỉ tiêu nhƣ : - Gia công chi tiết thử nghiệm. - Theo dõi bằng mắt của ngƣời thợ trực tiếp đứng máy. - Tính chất hình học tế vi bề mặt. - Lực cắt và sự biến đổi của nó theo thời gian. - Rung động trong quá trình cắt.v.v. 2.3. Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của các yếu tố đến chất lƣợng bề mặt gia công khi mài bằng đá mài CBN 2.3.1. Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt mài Độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hƣởng đồng thời của nhiều yếu tố khi mài nhƣ: - Các thông số kỹ thuật của đá mài. - Tính chất của vật liệu gia công. - Chế độ cắt. - Loại dung dịch trơn nguội và công nghệ tƣới nguội.` - Chế độ sửa đá. a. Ảnh hƣởng của loại dung dịch trơn nguội và công nghệ tƣới nguội Các tác giả Webster và Ciu đã tiến hành thí nghiệm với: - Hai loại đá mài: Al2O3 và CBN. 34 - Hai loại đầu phun: Đầu phun thông thƣờng và đầu phun Webster do Webster thiết kế có các đƣờng kính lỗ là 3mm, 4mm, 5mm (áp suất tƣới của đầu phun Webster cao hơn đầu phun thƣờng). - Hai loại dung dịch trơn nguội: Nhũ tƣơng tổng hợp nồng độ 5% và dầu nguyên chất. Kết quả đo độ nhám bề mặt mài đƣợc biểu diễn trên (hình 2.7). Từ các đồ thị (hình 2. 7, 2.8) có thể nhận xét nhƣ sau: - Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN thấp hơn so với khi mài bằng đá mài thông thƣờng. - Nhám bề mặt khi sử dụng đầu phun Webster nhận đƣơc thấp hơn, điều này chủ yếu là do khả năng cung cấp dung dịch trơn nguội vào vùng tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công hiệu quả hơn. - Dầu nguyên chất cho nhám bề mặt thấp hơn do khả năng bôi trơn tốt hơn so với nhũ tƣơng tổng hợp. - Khi mài bằng đá mài CBN với 2 phƣơng pháp tƣới nguội thì nhận đƣợc độ nhám bề mặt gần nhƣ nhau, đó là do đá mài CBN có khả năng duy trì các cạnh sắc trong suốt quá trình gia công mà không đòi hỏi phải sửa đá liên tục. Hình 2.7. Ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội và công nghệ tưới nguội đến độ nhám bề mặt mài [17] 35 Để rõ hơn ảnh hƣởng của loại dung dịch trơn nguội tới độ nhám bề mặt gia công E.J da Silva và các đồng nghiệp đã tiến hành thí nghiệm mài bằng đá mài CBN với 4 loại dung dịch trơn nguội là: Nƣớc, dung dịch bán tổng hợp 3%, dung dịch bán tổng hợp 20% và dầu nguyên chất. Kết quả (hình 2.8) cho thấy [28]: - Loại dung dịch có khả năng bôi trơn tốt hơn thì cho độ nhám thấp hơn. - Khả năng bôi trơn của nƣớc kém làm tăng ma sát giữa chất dính kết và phoi, do đó giá trị nhám tăng. Cụ thể là khi tăng lƣợng bóc tách vật liệu thì độ nhám bề mặt tăng từ 0,26µm lên 0,57µm. - Sử dụng dầu nguyên chất cho độ nhám nhỏ nhất (độ nhám nhỏ hơn 0,33µm). - Dung dịch bán tổng hợp 20% cho độ nhám nhỏ hơn dung dịch bán tổng hợp 3%. Nhƣ vậy loại dung dịch trơn nguội và công nghệ tƣới nguội là một yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến khả năng bóc tách vật liệu, chất lƣợng bề mặt gia công và tuổi thọ của đá mài. Hình 2.7. Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với các loại dung dịch trơn nguội khác nhau [28]. 36 b. Ảnh hƣởng của vận tốc đá mài Hình 2.8. Ảnh SEM trạng thái bề mặt khi mài bằng đá mài CBN với vận tốc đá khác nhau [29] Kết quả thí nghiệm mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá mài CBN với tốc độ trong khoảng từ 60 ÷ 300 (m/s) cho thấy: Khi vận tốc vòng của đá tăng thì Ra, Rz giảm; khi vận tốc đá lớn hơn 200 m/s thì độ nhám bề mặt giảm 20 ÷ 30% so với vận tốc đá 60 (m/s) (hình 2.8 và 2.9 ) [29]. Hình 2.9. Ảnh hưởng của vận tốc đá đến độ nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN [29] 37 Sở dĩ khi tăng vận tốc đá thì độ nhám bề mặt gia công giảm là vì tăng vận tốc đá sẽ làm tăng sự "xếp chồng" đƣờng cắt của các hạt mài làm cho chiều sâu cắt az của các hạt mài giảm. c. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao Hình 2.10. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặtkhi mài bằng đá CBN [30] Các tác giả D.J.Stephenson, D.Veselovac, S.Manley, J.Corbett đã nghiên cứu ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ nhám bề mặt mài khi mài bằng đá mài CBN [30], kết quả cho thấy: Khi lƣợng chạy dao tăng thì độ nhám bề mặt mài tăng (hình 2.10). Điều đó có thể giải thích: Tăng lƣợng chạy dao làm tăng chiều sâu cắt az của các hạt mài, do đó làm độ nhám bề mặt mài tăng. d. Ảnh hƣởng của độ hạt đá mài Ở các điều kiện mài nhƣ nhau, nếu cấp độ hạt của đá mài càng lớn (kích thƣớc hạt càng nhỏ) thì cho độ nhám bề mặt mài, năng suất cắt gọt và tuổi bền của đá càng nhỏ vì vậy cần chọn cấp độ hạt nhỏ nhất đạt đƣợc độ bóng bề mặt gia công yêu cầu để có năng suất cắt gọt và tuổi bền của đá cao hơn. Vì độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hƣởng đồng thời của nhiều yếu tố nhƣ: Chế độ cắt, công nghệ trơn nguội, độ hạt của đá mài...nên việc chọn cấp độ hạt hợp lý cần căn cứ vào điều kiện mài cụ thể. 38 Hình 2.11. Ảnh hưởng của độ hạt đá mài CBN đến độ nhám bề mặt mài [31] 2.3.2. Ảnh hƣởng đến cấu trúc lớp bề mặt mài Nguyên nhân chính dẫn tới sự thay đổi cấu trúc lớp bề mặt và cháy bề mặt mài là nhiệt độ mài truyền vào chi tiết gia công. Nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: Chế độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu hạt mài, công nghệ trơn nguội ...và một số tác giả đã nghiên cứu về vấn đề này với đá mài CBN. Kết quả nghiên cứu của Malkin và một số tác giả [26], [31], [32] đã chỉ ra rằng: Do đá mài CBN có hệ số dẫn nhiệt cao nên nhiệt độ mài thấp hơn rất nhiều so với đá mài thông thƣờng (bảng 2.3 và 2.4). Một phần nhiệt độ mài truyền vào chi tiết gia công, lƣợng nhiệt truyền vào chi tiết gia công đƣợc đánh giá qua hệ số phân chia năng lƣợng Rw. Đã có nhiều nghiên cứu để xác định hệ số Rw khi mài bằng đá mài thƣờng và đá mài CBN, mặc dù kết quả khác nhau nhƣng đều cho thấy R w khi mài bằng đá mài CBN nhỏ hơn nhiều so với mài bằng đá mài thƣờng (bảng 2.5). 39 Hình 2.12 . Ảnh hưởng của lưu lượng tưới nguội tới nhiệt độ mài khi mài bằng đá CBN [32] Bảng 2.5. Giá trị của Rw khi mài bằng đá mài CBN và Al203 [25] Rw với ro = 0.005 mm Rw với ro = 0.015 mm Al203 CBN Al203 CBN 0.96546 0.406 0.9797 0.5424 0.8687 0.4526 0.9197 0.5888 2.3.3. Ảnh hƣởng đến ứng suất dƣ lớp bề mặt mài Các yếu tố ảnh hƣởng tới ứng suất dƣ bề mặt mài gồm: - Chế độ cắt (Chiều sâu cắt, vận tốc đá, vận tốc chi tiết gia công). - Topography của đá mài (Chế độ sửa đá, trạng thái mòn). - Đặc điểm của đá mài (Loại và kích thƣớc hạt mài, cấu trúc đá, độ cứng đá, loại chất dính kết). - Công nghệ trơn nguội. Khi nghiên cứu ảnh hƣởng của loại đá mài và loại dung dịch trơn nguội đến ứng 40 suất dƣ bề mặt, E.J da Silva và các đồng nghiệp [33] đã tiến hành thí nghiệm với hai loại đá mài (Al203 và CBN) và bốn loại dung dịch trơn nguội, kết quả ( hình 2.13): - Trong chu kỳ mài đầu tiên, tất cả các loại dung dịch trơn nguội với hai loại đá mài đều cho ứng suất dƣ nén (trừ dầu tổng hợp khi mài bằng đá Al203). Riêng với đá mài Al203, khi lƣợng bóc tách vật liệu tăng thì ứng suất dƣ thay đổi thành ứng suất dƣ kéo, nguyên nhân là do khả năng dẫn nhiệt kém của Al203 làm tăng ma sát và mất đi các cạnh sắc của đá mài. Hình 2.13. Ứng suất dư với các loại dung dịch trơn nguội khi mài bằng đá CBN và Al203 [33] - Khi mài bằng đá mài Al203 với dung dịch trơn nguội là dầu thì ứng suất dƣ bề mặt là ứng suất dƣ nén, nguyên nhân là do dầu có khả năng bôi trơn tốt làm giảm nhiệt độ mài và hƣ hại do nhiệt. 41 Hình 2.14. Ảnh hưởng của vận tốc đá đến ứng suất dư khi mài bằng đá CBN [34] - Với đá mài CBN: Do khả năng duy trì độ sắc và tính chất nhiệt tốt nên ứng suất dƣ nén hình thành trong tất cả các chu kỳ mài và không phụ thuộc vào loại dung dịch trơn nguội, lƣợng vật liệu bóc tách và vật liệu chi tiết gia công. Nghiên cứu ảnh hƣởng của tốc độ đá mài đến ứng suất dƣ bề mặt, Brahim Ben Fathallah và các tác giả [34] đã thí nghiệm mài thép AISI D2 bằng đá mài CBN, kết quả: ở vận tốc đá nhỏ hơn 180 m/s thì ứng suất dƣ là ứng suất nén; khi vận tốc đá lớn hơn 180 m/s thì ứng suất dƣ chuyển thành ứng suất kéo mà nguyên nhân là do dung dịch trơn nguội khó vào trong vùng mài (hình 2.14 ). 2.4. Mài bề mặt định hình bằng đá CBN trên máy Phay CNC Đối với bề mặt định hình không phải là tròn xoay thƣờng dùng phƣơng pháp mài chép hình, gia công tia lửa điện, phay bao hình trên máy phay CNC ... Trong thực tế khi sản xuất loạt lớn, hàng khối thƣờng sử dụng mài chép hình và phay bao hình với phƣơng pháp gia công tia lửa điện chỉ sử dụng đối với các bề mặt phức tạp, đòi hỏi độ chính xác vì giá thành gia công cao và tốn nhiều thời gian. Mài chép hình là phƣơng pháp gia công tinh theo biên dạng chi tiết mẫu trên các máy mài chuyên dùng. Mài chép hình có ƣu điểm là cho năng suất và chất lƣợng 42 cao. Tuy nhiên có nhƣợc điểm là độ chính xác và chất lƣợng bề mặt phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của chi tiết dùng làm mẫu trong suốt quá trình gia công và độ chính xác của máy mài và chất lƣợng đá mài. a b c Hình 2-15: Các bề mặt định hình a- Bề mặt xoay ; b- Bề mặt trụ; c- Bề mặt côn Một cách giải quyết khác đối với gia công tinh mặt định hình không tròn xoay, không cần sử dụng chi tiết mẫu trong quá trình gia công đó là phay bao hình trên máy phay CNC. Phƣơng pháp này có ƣu điểm: - Có thể thực hiện chuyển động bao hình theo tọa độ biên dạng chi tiết. - Phƣơng pháp này có thể tạo ra trực tiếp các biên dạng chi tiết mà không cần chi tiết mẫu và độ chính xác chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của máy và biên dạng ban đầu của mẫu. Tuy nhiên nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là do lƣợng kim loại bóc đi nhiều và gia công thép đã qua nhiệt luyện nên đòi hỏi máy có độ chính xác cao và dụng cụ cắt phải tốt Phƣơng pháp này có thể gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp mà nhiều khi phƣơng pháp mài chép hình không gia công đƣợc hoặc khó gia công. Khi mài các bề mặt định hình do biên dạng của các mặt thay đổi làm thay đổi khả năng cắt của đá mài dẫn đến hiện tƣợng bề mặt đá mài bị biến cứng làm mòn đá nhanh. Để mài đƣợc các bề mặt định hình với biên dạng thay đổi thì cần phải có máy 43 mài CNC. Hiện nay máy mài CNC rất hiếm chƣa đƣợc phổ biến rộng, để giải đƣợc bài toán này có thể ứng dụng khả năng công nghệ của máy phay CNC để mài bề mặt định hình, khi đó phải chế tạo đồ gá để lắp đá mài lên trục chính của máy phay CNC đảm bảo độ đồng tâm và không ảnh hƣởng đến khả năng cắt gọt của đá mài, tiến hành mài nhƣ khi ta phay theo các bƣớc sau: - Phôi đã đƣợc gia công các bề mặt theo yêu cầu. - Thiết kế đồ gá để lắp đá mài CBN trên máy phay CNC. - Chọn đồ gá gá phôi trên máy phay CNC. - Gá lắp đá mài và phôi trên máy phay CNC. - Tiến hành mài bề mặt định hình. + Lập trình chƣơng trình mài ( Mài thô và mài tinh). + Xuất chƣơng trình sang máy phay. Tiến hành mài thô và mài tinh theo yêu cầu kích thƣớc của sản phẩm. 2.5. Giới hạn vấn đề nghiên cứu - Phƣơng pháp mài có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại nhờ khả năng vƣợt trội so với các phƣơng pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao cho độ chính xác và độ chất lƣợng bề mặt cao. - Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về phƣơng pháp tiện cứng và phay cứng bằng mảnh dao CBN để gia công tinh các vật liệu khó gia công đã qua tôi. Tuy nhiên, xét về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, khi gia công những chi tiết yêu cầu độ chính xác và chất lƣợng bề mặt rất cao thì chƣa có phƣơng pháp nào thay thế đƣợc cho phƣơng pháp mài. Các loại vật liệu hạt mài thông thƣờng gồm oxide nhôm, silicon carbide, carbide boron Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá mài sử dụng những loại vật liệu hạt mài này bị hạn chế (Đặc biệt khi mài những vật liệu khó gia công) do sau một thời gian làm việc đá mòn và phải sửa lại đá. Việc phát minh ra loại vật liệu hạt mài siêu cứng là cubic boron nitride (CBN) đã góp phần cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của phƣơng pháp mài. Vật liệu CBN có độ cứng cao gần gấp đôi oxide nhôm và khả năng chịu nhiệt đến 1371oC. Do độ cứng cực cao, đá mài làm 44 bằng CBN có khả năng duy trì dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lƣợng bề mặt gia công cao và ổn định. Ngoài ra, đá mài CBN còn có khả năng lấy đi lƣợng dƣ đều đặn trên bề mặt của chi tiết gia công mà không cần bù độ mòn của đá mài. - Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá tuổi bền của đá mài, có thể sử dụng các chỉ tiêu nhƣ: Tính chất hình học tế vi bề mặt, lực cắt theo thời gian, rung động trong quá trình cắt.v.v. Do mài thƣờng đƣợc chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối nên chất lƣợng bề mặt mài ảnh hƣởng trực tiếp đến độ bền của chi tiết máy. - Đá mài CBN đƣợc biết đến với rất nhiều tính năng ƣu việt, đặc biệt khi mài những loại thép khó gia công. Do có độ cứng cực cao và độ dai va đập lớn, đá mài CBN có khả năng duy trì dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lƣợng bề mặt gia công cao và ổn định. Tuy nhiên giá thành loại đá mài này khá cao. Để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi sử dụng đá mài CBN thì nhất thiết phải có những nghiên cứu về khả năng cắt gọt của loại đá mài này - Thép 9XC đƣợc dùng phổ biến để chế tạo những chi tiết chính xác, chịu tải va đập lớn, chịu mài mòn và chịu ăn mòn hóa học nhƣ làm các loại dao cắt hình dạng đơn giản, kích thƣớc không lớn: Mũi khoan, ta rô, bàn ren, dao phay, khuôn và chày dập nguội, chày dập thuốc tây... - Trên thế giới, đá mài CBN đã đƣợc nghiên cứu và đƣợc sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện này có rất ít những nghiên cứu về mài bằng đá mài CBN đƣợc công bố, đá mài CBN cũng chƣa đƣợc sử dụng nhiều trong các nhà máy cơ khí. Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên và nhu cầu sản xuất thực tiễn ở nƣớc ta hiện nay khi chƣa có máy mài CNC tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN" - Đối tƣợng nghiên cứu: Đá mài do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất, đá mài CBN, chày định hình dập viên nén vật liệu 9XC và máy phay CNC. - Mục tiêu nghiên cứu là : So sánh chất lƣợng bề mặt khi mài bề mặt chày định hình dập viên nén bằng đá mài Al203 do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất và đá mài CBN trên máy phay CNC. 45 Kết quả: - Đƣa ra phƣơng pháp mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài CBN cho chất lƣợng bề mặt tốt, đảm bảo hiệu quả kinh tế. - Nội dung nghiên cứu gồm: Khả năng cắt của đá mài CBN khi mài thép 9XC nhiệt luyện trên máy phay CNC; nghiên cứu thực nghiệm đánh giá chất lƣợng bề mặt khi ứng dụng mài bề mặt định hình bằng đá mài CBN và đá mài Al2O3 do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất với vật liệu là thép 9XC nhiệt luyện trên máy phay CNC theo chỉ tiêu đánh giá là nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc bề mặt gia công. - Đề tài đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp thực nghiệm. 2.6. Kết luận - Đã đƣa ra đƣợc cơ sở lý thuyết của vấn đề cần nghiên cứu. Làm rõ các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt khi mài. - Giới hạn đƣợc vấn đề nghiên cứu là nghiên cứu so sánh khi ứng dụng mài bề mặt định hình bằng đá mài CBN và đá mài Al2O3 do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất trên máy phay CNC qua hai chỉ tiêu chính là nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc gia công. - Mài bề mặt định hình bằng đá CBN trên máy phay CBN. - Phƣơng pháp nghiên cứu là: Phƣơng pháp thực nghiệm. 46 CHƢƠNG III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm - Mài bề mặt định hình trên máy phay CNC. - So sánh chất lƣợng bề mặt khi mài bằng đá mài CBN và đá mài Al203 do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất trên sản phẩm là chày dập thuốc. - Đánh giá khả năng cắt của đá mài CBN khi mài thép 9XC nhiệt luyện trên máy mài phay CNC theo chỉ tiêu nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc gia công. 3.2. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm - Đáp ứng đƣợc yêu cầu của vấn đề lý thuyết cần nghiên cứu. - Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định. - Đảm bảo việc thu thập và xử lý các số liệu thí nghiệm thuận lợi. - Đảm bảo tính khả thi. - Đảm bảo tính kinh tế. 3.3. Thiết bị thí nghiệm 3.3.1. Máy phay CNC Hình 3.1. Máy phay CNC YDC - 96 47 Sản phẩm đƣợc gia công trên máy phay Morseiki kiểu máy YDC - 96. Hệ điều hành FANUC OM. Hành trình X 700mm ; Y 450mm; Z 500mm. Tốc độ trục chính : 1500 vòng/phút. Số đầu dao 12EA kiểu BT 40. Kích thƣớc bàn 600 x 1100 mm. Kích thƣớc máy 3,3 x 2,4 x 2,8 m. Để lắp đƣợc đá mài trên máy phay ta phải tiến hành chế tạo đồ gá để lắp đá trên trục chính máy phay CNC đồ gá đòi hỏi đảm bảo độ đồng tâm và không ảnh hƣởng đến khả năng cắt gọt của đá mài. Hình 3.2. Đồ gá lắp đá mài CBN lên lên máy phay CNC 3.3.2. Đá mài Các thông số của đá mài đƣợc chọn tƣơng đối phù hợp với điều kiện mài tinh thép 9XC nhiệt luyện. Đá mài thí nghiệm gồm 2 loại sau: a. Đá mài của nhà máy đá mài Hải Dƣơng (Al2O3 ) Sử dụng đá mài của Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất có kí hiệu: Cn60. MV1.G.V1.150 x 20 x 75.35 m/s. 48 Các thông số cơ bản của đá là: Cn - vật liệu hạt mài là Corun điện thƣờng. 60 - độ hạt (số mắt sàng có trong 1 tấc Anh). MV1 - độ cứng của đá mềm vừa. G - chất dính kết là Ceramic - gốm. V1- kiểu đá trụ, cạnh vuông. 250 x 20 x 75 - kích thƣớc (mm) đƣờng kính ngoài, bề rộng và đƣờng kính lỗ của đá. 35 m/s - giới hạn tốc độ đá theo độ bền của đá. b. Đá mài CBN Sử dụng đá mài của hãng Asahi (Taiwan) Có ký hiệu: 125D-3X- 19T-31.75H, CBN 400N85B3,0. Các thông số cơ bản của đá là: 125 D - đƣờng kính ngoài của đá mài. 3X - chiều dày lớp hạt mài. 19T - bề rộng của đá mài. 31.75H - đƣờng kính lỗ của đá mài. Vật liệu hạt mài là CBN, kiểu đá trụ, cạnh vuông. 400 - độ hạt ( số mắt sàng có trong một tấc Anh). N - độ cứng của đá mài. 85 - nồng độ hạt mài (trong 1mm3 đá mài CBN có 0,878 mg hoặc 0.00439 cara hạt mài CBN). 49 B - chất dính kết nhựa tổng hợp Hình 3.3. Đá mài CBN 125D-3X- 19T-31.75H, CBN 400N85B3,0 Khi chọn đá mài CBN cần chú ý tới các thông số của đá mài cho hớp lý với quá trình gia công nhƣ sau : Độ hạt, khi mài tinh càn chọn độ hạt nhỏ. Chất kết dính: Đối với đá mài CBN có ƣu điểm hạt mài có độ sắc lâu cho nên đƣợc giữ trong chất kết dính lâu hơn. Mật độ hạt khi mài tinh đá mài độ hạt nhỏ (Mật độ hạt mài sẽ lớn) do vậy có nhiều hạt mài tham gia vào quá trình cắt. Đối với thí nghiệm mài trên máy phay CNC đề đảm bảo vận tốc cắt của đá do hạn chế tốc độ của máy sử dụng lắp thêm đầu tăng tốc, mặt khác để bù lại ta có thể chọn tăng đƣờng kính của đá để tăng vận tốc dài bù lại vòng quay cho đạt yêu cầu về tốc độ cắt. Về chiều sâu cắt khi mài cần chọn nhƣ sau t ≤ [ t ] < h Trong đó : t - Chiều sâu cắt [ t ] - Chiều sâu cắt cho phép h - Chiều cao của hạt mài nhô ra khỏi chất kết dính 3.3.3. Tƣới nguội Dùng phƣơng pháp tƣới tràn với dung dịch trơn nguội là nhũ tƣơng của hãng TOTAL pha với nƣớc đạt nồng độ 10%. 50 0.10 A 3.3.4. Phôi thí nghiệm 0 28 -0,20 30° 8 -0,036 A 0.8 0.025 A 3.2 R 02 lỗ ren M3 8 0 0.4 37 60 35 31 R1 32 41 -0,020 R6 -0,02 D -0,04 0.4 D 0.8 Ø32 -0,050 0.4 13 9 140 18.5 -0,02 -0,04 175 7 -0,02 -0,04 * Yêu cầu kỹ thuật: - Sử lý nhiệt: Độ cứng lớn nhất: HCR 58-62. - Kiểm tra ngang dọc không có vết rạn nứt. - Quy cách và hình dạng đầu D đối với viên định hình phải làm theo yêu cầu cụ thể. Nếu không yêu cầu thì làm theo tiêu chuẩn. 3.3.5. Thiết bị đo * Đo độ nhám bề mặt : Sử dụng máy đo độ nhám Mytutoyo SJ – 201 (Nhật Bản). Các thông số kỹ thuật cơ bản: Hiển thị LCD. Tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI. - Thông số đo đƣợc: Ra, Rz, Rt, Rq, Rp, Ry, Pc, S, Sm. 51 - Độ phân giải: 0,03μm/300μm; 0,08μm/75μm; 0,04μm/9,4μm. - Bộ chuyển đổi A/D: RS232. - Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu MSTATW324.0. Hình 3.4. Máy đo độ nhám Mytutoyo SJ – 201 * Khảo sát hình thái bề mặt gia công bằng kính hiển vi OLYMPUS GX51. Hình 3.5. Kính hiển vi OLYMPUS GX51 52 Tính năng kỹ thuật: - Hệ thống quang học vô cực tiêu sắc chống quang sai màu UIS2. - Thân kính thiết kế vững chắc, đa năng có khả năng gắn thêm các thƣớc đo trắc vi. - Thiết kế quan sát đảo ngƣợc không bị giới hạn bởi các mẫu có kích thƣớc lớn. - Phƣơng pháp xem mẫu đảo ngƣợc tiết kiệm thời gian quan sát mẫu. - Bốn phƣơng pháp xem mẫu: nền sáng, nền đen, ánh sáng phân cực đơn giản và DIC. - Sử dụng quan sát mẫu dùng ánh sáng phân cực cho ánh sáng truyền qua. - Bốn vị trí gắn camera. - Trƣờng quan sát siêu rộng F.N 26.5 mm. - Khả năng di chuyển theo X,Y (50x50mm). - Điều chỉnh cƣờng độ sáng (AS), tâm nguồn sáng (FS) bằng tay. - Điều chỉnh tiêu cự : 2mm phía trên, 7 mm phía dƣới bề mặt bàn để mẫu. - Nguồn đèn: 12V100W Halogen thích hợp cho các loại mẫu khác nhau. - Tích hợp hệ thống Zoom quang hoc 1x-2x. - Độ phóng đại: 50X, 100X, 200X, 500X, 1000X. 3.4. Trình tự thí nghiệm 3.4.1. Chuẩn bị - Chuẩn bị phôi và đá mài trƣớc khi thí nghiệm: + Đánh số thứ tự các phôi từ 1 đến 10 (độ cứng phôi không đổi ). + Đánh số thứ tự đá mài: 1 ( Đá mài Corun ), 2 ( Đá mài CBN ). - Dùng mỗi loại đá mài mài 10 sản phẩm với một chế độ cắt không đổi. Sau mỗi lần mài đƣợc 1 sản phẩm. Lấy ngẫu nhiên mỗi loại sản phẩm mài bằng đá Corun và đá mài CBN một mẫu phôi đi chụp hình SEM kiểm tra lớp bề mặt chi tiết. 3.4.2. Tiến hành thí nghiệm Phôi thí nghiệm đƣợc sử dụng sau các nguyên công tiện biên dạng tròn xoay của chày, phay đầu chày hình ô van, phay biên dạng cong đầu chày... nhiệt luyện đạt độ cứng (58- 60) HRC. 53 Tiến hành thí nghiêm: - Mài 10 sản phẩm bằng đá mài do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất với các thông số không đổi. - Mài 10 sản phẩm bằng đá CBN với các thông số không đổi. - Lập chƣơng trình mài và tiến hành mài Hình 3.6. Tiến hành gia công bằng đá Đá mài Hải Dương trên máy phay CNC YDC - 96 Sửa đá: Đối với đá mài do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất bị mòn trong quá trình gia công nên sau khi gia công đƣợc hai sản phẩm phải dừng lại sửa đá. Khi mài bằng đá CBN do có khả năng duy trì các cạnh sắc trong suốt quá trình gia công sau khi gia công xong 10 sản phẩm không phải sửa đá. 54 Hình 3.7. Tiến hành gia công bằng đá CBN trên máy phay CNC YDC - 96 Sản phẩm mài : Sau khi gia công 10 sản phẩm bằng đá Corun và 10 sản phẩm bằng đá CBN các sản phẩm đƣợc đánh số thứ tự từ 1- 10 tiến hành đo độ nhám và sai lệch ở các vị trí khác nhau mỗi loại 10 sản phẩm Hình 3.8. Sản phẩm sau khi gia công mài 55 3.4.3 Xử lý kết quả thí nghiệm a. Với nhám bề mặt Kết quả thí nghiệm đo nhám trung bình cho trong bảng 3.1 sau: Số hiệu phôi Nhám (µm) 1 CBN 0,95 Corun 3,1 2 3 0,945 0,96 1,095 1,275 4 5 0,835 1,06 2,45 2.02 6 7 8 0,795 1,025 0,815 1,495 2,13 2,405 9 0,92 0,98 10 0,875 0,985 Bảng 3.1.Kết quả đo nhám trung bình Từ bảng kết quả thí nghiệm trên ta có đồ thị phân bố nhám bề mặt nhƣ sau: Hình 3.9. Đồ thị phân bố nhám bề mặt 56 So sánh trên đồ thị ta thấy mài bằng đá mài CBN cho trung bình nhám bề mặt nhỏ hơn khi mài bằng đá mài Hải dƣơng, chứng tỏ chất lƣợng bề mặt gia công khi mài bằng đá CBN tốt hơn hẳn so với mài bằng đá Al203. b.Với độ chính xác gia công. Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 3.2 sau: Sai lệch kích thƣớc lớn Số hiệu nhất (µm) phôi CBN Corun 1 10 20 2 10 30 3 10 25 4 10 30 5 15 20 6 15 35 7 15 25 8 20 35 9 20 30 10 20 40 Bảng 3.2.Kết quả đo sai lệch kích thước lớn nhất Từ kết quả đó ta cũng có đồ thị phân bố sai lệch kích thƣớc lớn nhất nhƣ sau: 57 Hình 3.10. Đồ thị phân bố sai lệch kích thước lớn nhất So sánh trên đồ thị ta thấy rằng mài bằng đá mài CBN cho sai lệch trung bình nhỏ hơn khi mài bằng đá mài Hải dƣơng. Điều đó chứng tỏ độ chính xác gia công khi mài bằng đá CBN cao hơn so với đá Al203 c. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt: Sau khi tiến hành mài mỗi loại đá 10 sản phẩm tiến hành lấy mẫu và chụp ảnh tế vi bề mặt gia công trên kính hiển vi điện tử OLYMPUS GX51 kết quả cho trên hình: 58 Hình 3.11. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài Hải Dương Hình 3.12. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài CBN 59 Hình 3.13. Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng đá mài Hải Dương Hình 3.14. Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng CBN 60 3.5. Thảo luận kết quả thí nghiệm 3.5.1. Nhám bề mặt - Nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng làm việc của chi tiết máy. Đối với những chi tiết trong mối ghép động (ổ trƣợt, sống dẫn, con trƣợt...), bề mặt chi tiết làm việc trƣợt tƣơng đối với nhau, nên khi nhám càng lớn càng khó đảm bảo hình thành màng dầu bôi trơn bề mặt trƣợt. Dƣới tác dụng của tải trọng các đỉnh nhám tiếp xúc với nhau gây ra hiện tƣợng ma sát nửa ƣớt, thậm chí cả ma sát khô, dẫn đến làm giảm hiệu xuất làm việc, tăng nhiệt độ làm việc của mối ghép. Mặt khác tại các đỉnh tiếp xúc, lực tập trung lớn, ứng xuất lớn vƣợt quá ứng xuất cho phép gây biến dạng chảy phá hỏng bề mặt tiếp xúc, bề mặt làm việc nhanh mòn. Do vậy, nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn trong quá trình làm việc, gây hƣ hỏng và phá hủy cơ cấu máy. Ngƣợc lại, nhám càng nhỏ thì bề mặt càng nhẵn, khả năng chống lại sự ăn mòn càng tốt. - Quy luật ảnh hƣởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi mài bằng đá mài thƣờng và đá mài CBN là giống nhau. Các thông số t, Sd, Vđ đều ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt gia công nhƣng ở các mức độ khác nhau: Tốc độ cắt Vđ có ảnh hƣởng nhiều nhất, còn chiều sâu cắt t có ảnh hƣởng không đáng kể. - Nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi các vết cào xƣớc chồng lên nhau của các điểm cắt trên các hạt mài có chiều cao không bằng nhau. Về mặt lý thuyết, khi chiều sâu mài t lớn hơn chiều cao nhô lên mặt đá của các hạt mài thì việc thay đổi chiều sâu mài không làm thay đổi chiều sâu cắt của các hạt mài az do đó độ nhám bề mặt mài Ra, Rz không thay đổi. Tuy nhiên chiều sâu mài t có ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt mài mặc dù rất ít, sở dĩ nhƣ vậy là vì chiều sâu mài ảnh hƣởng đến rung động, nhiệt cắt và lực cắt mà đây lại là những yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt gia công. Tăng chiều sâu mài thì rung động, lực cắt, nhiệt cắt tăng đồng thời việc tƣới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt cũng khó khăn hơn làm cho nhiệt cắt tăng, tăng mức độ biến dạng dẻo lớp kim loại bề mặt và kết quả là độ nhám bề mặt gia công tăng. 61 - Kết quả đo độ nhám bề mặt gia công ở hình 3.9 và bảng 3.2 cho thấy: Trong cùng điều kiện mài nhƣng độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN thấp hơn nhiều so với khi mài bằng đá Al203. Có thể giải thích điều này nhƣ sau: Hạt mài CBN do có độ cứng và độ bền nén rất cao, đá mài CBN có khả năng duy trì các cạnh sắc trong suốt quá trình gia công mà không đòi hỏi phải sửa đá liên tục, mật độ lƣỡi cắt của đá CBN vì vậy phụ thuộc chủ yếu vào việc chế tạo đá mài và hạt mài; ngƣợc lại, hạt mài đá Al203 do có độ cứng và độ bền nén thấp hơn nên dễ bị vỡ khi sửa đá để hình thành lƣỡi cắt mới, mật độ lƣỡi cắt của đá Al203 vì vậy phụ thuộc rất nhiều vào việc sửa đá. 3.5.2.Chất lƣợng bề mặt gia công Ảnh SEM cho thấy: Khi mài bằng đá Al203 thì hiện tƣợng vật liệu bị nén giãn sang hai bên đƣờng cắt xảy ra mạnh hơn, các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi lõm trên bề mặt mài đồng thời gây ra ứng suất tập trung khi chi tiết làm việc sau này (hình 3.11); khi mài bằng đá CBN thì do các hạt mài CBN có khả năng giữ đƣợc độ bền và khả năng tự mài sắc cao nên đƣờng cắt của các hạt mài gọn và sắc nét hơn, vật liệu ít bị nén giãn sang hai bên đƣờng cắt, các hạt mài hầu nhƣ không bị vỡ trong quá trình mài (hình 3.12). Do có độ cứng cao và độ dai va đập lớn, đá mài CBN có khả năng duy trì kích thƣớc nên quá trình cắt ổn định tạo ra chất lƣợng bề mặt gia công cao và ổn định. 3.5.3. Cấu trúc lớp kim loại bề mặt gia công Nhiệt cắt khi mài cao lại truyền phần lớn vào chi tiết gia công làm cho lớp bề mặt gia công bị nung nóng sau đó đƣợc làm nguội nhanh, đây chính là nguyên nhân làm thay đổi cấu trúc lớp bề mặt gia công. - Lớp bề mặt chi tiết khi mài bằng đá mài Hải Dƣơng nhƣ đã bị tôi, điều đó chứng tỏ nhiệt cắt trong trƣờng hợp này khá cao vì lớp bề mặt gia công đã đƣợc nung nóng. Lớp bề mặt gia công bị tôi lại sẽ bị giảm độ cứng so với ban đầu do đó làm giảm khả năng chịu mài mòn khi làm việc của bề mặt chi tiết. - Lớp bề mặt chi tiết khi mài bằng đá CBN nhƣ đã bị ram, điều đó chứng tỏ nhiệt cắt trong trƣờng hợp này khá thấp. Lớp bề mặt gia công chỉ bị ram nên cơ tính 62 thay đổi không đáng kể so với ban đầu, vì thế không làm ảnh hƣởng xấu tới khả năng làm việc sau này của chi tiết . Khả năng cắt tốt hơn cũng nhƣ tính dẫn nhiệt cao hơn của đá mài CBN đã làm giảm đáng kể nhiệt độ mài. Đá CBN có độ sắc hơn, hệ số truyền nhiệt cao cho phép duy trì nhiệt cắt thấp hơn nên mức độ biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, hiện tƣợng chuyển pha trong cấu trúc lớp kim loại bề mặt ít hơn. Nói cách khác, cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá mài CBN ít bị thay đổi. 3.5.4. Sai lệch kích thƣớc Qua việc xác định trị số sai lệch trung bình kích thƣớc so với yêu cầu, kết quả đo thể hiện trên hình 3.10 và bảng 3.2 cũng cho thấy: sự sai lệch về kích thƣớc khi mài bằng đá CBN nhỏ hơn nhiều so với đá Al203. Điều đó chứng tỏ độ chính xác gia công khi mài bằng đá CBN cao hơn so với đá Al203, nó cũng đồng nghĩa với chất lƣợng sản phẩm cao hơn trong gia công chày dập viên thuốc định hình. 3.5.5. Hiệu quả kinh tế Khi mài, đặc biệt là mài tinh, chi phí thời gian gia công phần lớn dành cho sửa đá. Khi mài bằng đá Al203 việc sửa đá đƣợc tiến hành sau 2 ÷ 3 phút một lần và chiếm hầu nhƣ một nửa thời gian làm việc. Lƣợng đá bị hớt bỏ sau khi sửa đá cũng là một thất thoát đáng kể làm tăng giá thành nguyên công mài. Để gia công các bề mặt định hình bằng phƣơng pháp mài nói chung và gia công chày dập viên thuốc định hình nói riêng trong điều kiện không có máy mài CNC thì việc ứng dụng khả năng công nghệ của máy phay CNC khi gia công các bề mặt định hình đã mang lại hiệu quả kinh tế cao. Đặc biệt là việc sử dụng đá mài CBN trong gia công chi tiết chính xác, áp dụng sản xuất hàng loạt. Trong quá trình gia công không mất nhiều lần sửa đá cho một loạt sản phẩm. Do vậy, làm giảm thời gian gia công, tăng năng suất và giảm giá thành sản phẩm đồng thời cho ta sản phẩm có độ chính xác cao, chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công tốt. 3.6. Kết luận chƣơng 3 1. Đã xây dựng đƣợc hệ thống thí nghiệm (Máy, đá mài, đồ gá, vật liệu gia công, thiết bị đo...) cùng với các điều kiện công nghệ cụ thể để tiến hành nghiên cứu bằng thực nghiệm. 63 2. Đã tiến hành mài đƣợc bề mặt định hình theo contour trên máy phay CNC trong điều kiện hiện không có máy mài CNC, đã thu nhận, lƣu trữ, xử lý đƣợc số liệu thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy. Việc ứng dụng khả năng công nghệ máy phay CNC để mài định hình bằng cách chế tạo đồ gá để lắp đá mài trên trục chính máy phay CNC gia công các bề mặt định hình trong sản xuất đã thành công và mang lại hiệu quả kinh tế nhất định. 3. Đã đánh giá chất lƣợng bề mặt gia công khi mài thép 9XC nhiệt luyện bằng đá Al203 và đá CBN qua các thông số nhƣ: Độ nhám bề mặt, chất lƣợng bề mặt, cấu trúc lớp kim loại bề mặt, sai lệch kích thƣớc. Kết quả thực nghiệm khẳng định: Chất lƣợng bề mặt gia công khi mài bằng đá CBN tốt hơn hẳn so với mài bằng đá Al203, giảm thời gian gia công và cho độ chính xác của sản phẩm cao hơn . 64 KẾT LUẬN CHUNG 1. Kết luận chung Nội dung luân văn " Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN", qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã đạt đƣợc các vấn đề sau: - Luận văn đã tổng kết đƣợc các lý thuyết cơ bản về công nghệ mài. - Xây dựng đƣợc hệ thống thí nghiệm cùng với các điều kiện công nghệ gia công mài bề mặt định hình trên máy phay CNC khi chƣa có máy mài định hình chuyên dùng, đảm bảo yêu cầu của vấn đề lý thuyết cần nghiên cứu, có độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định cao với thiết bị đo nhám, chụp tế vi bề mặt hiện đại. - Đã tiến hành gia công đƣợc bề mặt định hình bằng phƣơng pháp mài trên máy phay CNC trong điều kiện hiện không có máy mài CNC. Việc ứng dụng khả năng công nghệ máy phay CNC để gia công các bề mặt định hình trong sản xuất đã thành công và mang lại hiệu quả kinh tế nhất định. - Đã đánh giá chất lƣợng bề mặt gia công khi mài thép 9XC nhiệt luyện bằng đá Corun và đá CBN qua các thông số nhƣ: Độ nhám bề mặt, chất lƣợng bề mặt, cấu trúc lớp kim loại bề mặt, sai lệch kích thƣớc. Kết quả thực nghiệm khẳng định: Chất lƣợng bề mặt gia công khi mài bằng đá CBN tốt hơn hẳn so với mài bằng đá Al203, giảm thời gian gia công và cho độ chính xác của sản phẩm cao hơn . - Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào sản xuất hàng loạt. 2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo Đề tài đã thu đƣợc một số kết quả khá tốt nhƣng vẫn còn nhiều hạn chế mà tác giả sẽ nghiên cứu và hoàn thiện trong tƣơng lai để hoàn thiện đề tài của mình. Sau đây là một số hƣớng chính: - Nghiên cứu ảnh hƣởng đồng thời của cả ba thông số chế độ cắt (S, n, t) đến chất lƣợng bề mặt và độ chính xác khi mài các bề mặt định hình trên các loại vật liệu khác. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số đá mài (độ hạt, cấu trúc, độ cứng ....) đến chất lƣợng bề mặt và độ chính xác gia công khi mài định hình. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội và phƣơng pháp tƣới nguội đến độ chính xác và chất lƣợng bề mặt khi mài bề mặt định hình. 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy (2001), Nguyên lý gia công vật liệu, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Trần Minh Đức (2002), Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá đến tuổi bền của đá mài khi mài tròn ngoài, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Hà Nội. [3]. Trần Văn Địch (2003), Nghiên cứu độ chính xác gia công bằng thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4]. Nguyễn Văn Tính (1978), Kỹ thuật mài, NXB Công nhân kỹ thuật, Hà Nội. [5]. Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình và các tác giả (2003), Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [6]. Nguyễn Thế Hùng, Trần Thế San, Hoàng Trí (2002), Thực hành cơ khí tiện,phay, bào, mài, NXB Đà Nẵng. [7]. Hoàng Văn Điện (2007), Nghiên cứu quá trình mòn của đá mài và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt chi tiết khi mài phẳng, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Hà nội. [8]. Nguyễn Văn Hùng (2003), Nghiên cứu tối ưu các thông số công nghệ của quá trình mài điện hoá bằng đá mài kim cương khi gia công hợp kim cứng, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Hà Nội. [9]. Rolf Reinhold (1998), Manfred clausnitzer, Sheleifen, Veb verlag technik Berlin. [10]. Wilfried König (1989), Fertigungsverfahaheren. Band 2, VDI Verlag [11]. Janez Gradisek, Andreas Baus, Edvard Govekar, Fritz Klocke, Igor Grabec (2003), Automatic chatter detection in grinding, International Journal of Machine Tools Manufacture, 43. [12]. Xun Chen, W. Brian Rowe, B. Mills, D.R. Allanson (1996), Analysis and simulation of the grinding process, Part III-Comparison with experiment, International Journal of Machine Tools Manufacture, 8. [13]. Ya. L. Gurevits và các tác giả (1981), Chế độ cắt các vật liệu khó gia công, biên dịch: Hồng Nguyên, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [14]. S. Malkin (1989), Grinding Technology: Theory and Applications of Machining With Abrasives, Ellis Horwood, Chichester, West Sussex, London. [15]. Chen X., Rowe W.B., Cai R. (2002), Precision grinding using CBN wheels, International Journal of Machine Tools and Manufacture 42(5), pp. 585–593. 66 [16]. EHWA Diamond Industrial Co.,Ltd (2006), Diamond And CBN Wheels, Osan city, Kyungki Do, Korea. [17]. Monici R.D., Bianchi E.C., Catai R.E., Aguiar P.R. (2006), Analysis of the different forms of application and types of cutting fluid used in plunge cylindrical grinding using conventional and superabrasive CBN grinding wheels, International Journal of Machine Tools and Manufacture 46(2), pp. 122-131. [18]. B.Anand Ronald, K.Sasikanth, L.Vijayaraghavan and R.Krishnamurthy (2006), Effect of grit size on performance during Grinding of Al/ SiCp MMC with diamond wheel, International Conference on Manufacturing Science and Technology, Melaka, Malaysia.. [19]. Yoshio Ichida (2008), Mechanical properties and grinding performance of ultrafine-crystalline cBN abrasive grains, Diamond & Related Materials 17. [20]. R. Soravanan, P. Asokan, M. Sachidanandam (2002), A multiobjective genetic algorithm (GA) approach for optimization of surface grinding operations, International Journal of Machine Tools & Manufacture 42. [21]. R. Gupta, K.S. Shishodia, G.S. Sekhon (2001), Optimization of Grinding process parameters using enumeration method, Journal of Materials Processing Technology 112. [22]. M.A Maksoud, A.J. Brooks (1995), Electrochemical grinding of ceramic form tooling, Journal of Materials Processing Technology 55. [23]. S.M. El-Tayeb, K.O. Low, P.V. Brevern (2006), Enhancement of surface quality and tribological properties using burnishing process, International Conference on Manufacturing Science and Technology, Melaka, Malaysia. [24]. Morgan M.N., Rowe W.B., Black S.C.E. and Allanson D.R. (1998), Effective thermal propertier of grinding wheel and grains, Proceeding of the institute of mechanicalengineers, Part B, Journal of engineering manufacture 212, pp. 661-669. [25]. Pavel R., Srivastava A. (2007), An experimental investigation of temperatures duringconventional and CBN grinding, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 33(3), pp. 412-418. [26]. S. Malkin (1985), Current Trends in CBN Grinding Technology, CIRP Annals Manufacturing Technology, 34(1), pp. 557-560. [27]. Y. Altintas (2000), Manufacturing automation, Cambridge University. 67 [28]. Silva E.J da, Alves S.M., Oliveira J.F.G de. The influence of grinding fluids in the wear of vitrified CBN wheel. [29]. Ichida Y., Sato R., Morimoto Y., Ohsawa Y., Fredj N.B. (2006), Formation mechanism of finished surface in ultrahigh - speed grinding with cubic boron nitride (CBN)wheels, JSME International Journal, Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing 49(1), pp. 100-105. [30]. Stephenson D.J., Veselovac D., Manley S., Corbett J. (2001), Ultra-precision grinding of hard steels, Precision Engineering 25(4), pp. 336-345. [31]. S. Malkin and Shi Z. (2006), Wear of electroplated CBN grinding wheel, Journal of manufacturing science and engineering 128 (1), pp. 110-118. [32]. S. Malkin and Upadhyaya R. P. (2004), Thermal Aspect of Grinding With Electroplated CBN Wheels, Journal of manufacturing science and engineering 126(1), pp. 107–114. [33]. Silva E.J da., Bianchi E.C., Oliveira J.F.G de., Aguir P.R de.(2003) Evaluation of grinding fluids in the grinding of a mastensitic valve steel with CBN and alumina abrasives, Proceeding of the institute of mechanical engineers, Part B, Journal of engineering manufacture 217, pp. 1047-1055. [34]. Fathallah B.B., Fredj N.B., Sidhom H, Braham C., Ichida Y. (2009), Effects of abrasive type cooling mode and peripheral grinding wheel speed on the AISI D2 steel ground surface integrity. International, Journal of Machine Tools and Manufacture 49(34), pp261-272. [...]... đề tài: " Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN" , 2 Mục tiêu nghiên cứu là : Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài CBN khi mài bề mặt định hình bằng đá 3 mài CBN và đá mài Al2O3 do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất với vật liệu là thép 9XC nhiệt luyện trên máy phay CNC; Chỉ tiêu đánh giá là nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc bề mặt gia công 3 Dự kiến các... Nghiên cứu tổng quan về các đặc tính cắt gọt của đá mài và chất lƣợng bề mặt mài bằng đá CBN; - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC Đánh giá chất lƣợng bề mặt mài bằng đá CBN khi mài thép 9XC nhiệt luyện trên máy mài phay CNC theo chỉ tiêu nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc gia công 6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: + Bổ sung lý thuyết về công nghệ. .. Thọ cũng nhƣ nhu cầu sản xuất khi chƣa có máy mài CNC tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN" , là cần thiết có ý nghĩa khoa học và thực tiễn 24 CHƢƠNG II NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BẰNG ĐÁ CBN ĐỂ GIA CÔNG CÁC MẶT ĐỊNH HÌNH 2.1 Đặc tính của đá mài CBN Bên cạnh các loại vật liệu hạt mài thông thƣờng nhƣ: Ôxit nhôm, cacbit silic,... công nghệ mài nói chung và mài bề mặt định hình nói riêng + Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc nghiên cứu tối ƣu hoá quá trình mài + Đề tài bổ sung đƣợc một số kết quả nghiên cứu cơ bản về mài bề mặt định hình thép 9XC trong điều kiện kỹ thuật và công nghệ cụ thể ở Việt Nam - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài CBN vào... này đƣợc thực hiện trên máy mài tròn vạn năng hoặc máy mài vô tâm Trên máy mài tròn vạn năng thực hiện gia công chi tiết đƣợc gá trên mâm cặp hoặc chi tiết dài gá trên hai mũi tâm Đá mài đƣợc sửa đúng hình dạng lồi hoặc lõm tƣơng ứng với mặt định hình cần mài, việc gá lắp và điều chỉnh máy mài tƣơng tự nhƣ mài chi tiết hình trụ trên máy mài tròn 1.2.3 Các khó khăn khi mài bề mặt định hình khác nhau để... pháp mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài CBN cho chất lƣợng bề mặt tốt, đảm bảo hiệu quả kinh tế 4 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong đó thực nghiệm là chủ yếu 5 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về mài và chất lƣợng bề mặt gia công và các yếu tố ảnh hƣởng đến các thông số đặc trƣng cho chất lƣợng bề mặt gia công bằng phƣơng pháp mài - Nghiên. .. nghệ sửa đá đến tuổi bền của đá mài khi mài tròn ngoài đƣợc tác giả [2] nghiên cứu Nghiên cứu tối ƣu hóa các thông số của quá trình mài là một trong những hƣớng nghiên cứu thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong nƣớc Nghiên cứu tối ƣu các thông số công nghệ của quá trình mài điện hoá bằng đá mài kim cƣơng khi gia công hợp kim cứng đƣợc nghiên cứu bởi tác giả [8] Nghiên cứu quá trình mòn của đá mài và ảnh... Nếu trên bề mặt vật mài có lớp ứng suất dƣ nén thì chất lƣợng bề mặt chi tiết tốt, tăng độ bền mỏi của chi tiết Ngƣợc lại nếu trên bề mặt chi tiết gia công có nhiều lớp ứng suất dƣ kéo, chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công giảm, dễ gây ra nứt và chi tiết có thể bị phá hủy đột ngột 1.2 Mài các bề mặt định hình 1.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của các chi tiết định hình Các chi tiết định hình gia công trên máy mài. .. tạo ra vết lồi lõm trên bề mặt mài đồng thời tạo ra ứng suất tập trung - Các vết nứt trên bề mặt mài do nhiệt mài Các biện pháp làm giảm độ nhám bề mặt mài gồm: - Biến dạng đàn hồi theo phƣơng hƣớng kính của đá mài và việc chà sát đỉnh mòn của các hạt mài - Sử dụng thành phần dung dịch trơn nguội phù hợp - Có công nghệ tƣới nguội hợp lý Hình 1.6 Ảnh SEM bề mặt mài [14] Độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hƣởng... nhƣợc điểm trên dùng đá mài CBN để mài các bề mặt định hình 1.3 Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài và định hƣớng nghiên cứu 1.3.1 Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài Do mài có vị trí quan trọng trong ngành chế tạo máy ( Đặc biệt là trong gia công tinh) và do những đặc điểm riêng biệt của quá trình cắt khi mài mà việc nghiên cứu điều khiển quá trình mài gặp ... Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình máy phay CNC sử dụng đá mài CBN" , Mục tiêu nghiên cứu : Nghiên cứu khả cắt đá mài CBN mài bề mặt định hình đá mài CBN đá mài Al2O3 Nhà máy Đá. .. lƣợng bề mặt mài đá CBN; - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình máy phay CNC Đánh giá chất lƣợng bề mặt mài đá CBN mài thép 9XC nhiệt luyện máy mài phay CNC theo tiêu nhám bề mặt sai... hình máy phay CNC sử dụng đá mài CBN" , cần thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn 24 CHƢƠNG II NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BẰNG ĐÁ CBN ĐỂ GIA CÔNG CÁC MẶT ĐỊNH HÌNH 2.1 Đặc tính đá mài CBN Bên