PHƯƠNG PHÁP MÀI VÀ DỤNG CỤ

Chương 8 PHƯƠNG PHÁP MÀI VÀ DỤNG CỤ 8.1 MÀI VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 8.1.1 Khái niệm Mài là quá trình gia công cắt gọt bởi vô số các lưỡi cắt với hình dạng hình học không xác định của các hạ

Chương 8 PHƯƠNG PHÁP MÀI VÀ DỤNG CỤ

8.1 MÀI VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG

8.1.1 Khái niệm

Mài là quá trình gia công cắt gọt bởi vô số các lưỡi cắt với hình dạng hình học không xác định của các hạt mài tự nhiên hoặc nhân tạo Quá trình mài tạo ra rất nhiều phoi vụn do sự

ma sát cắt gọt và cạo miết của hạt mài vào chi tiết gia công Phương pháp mài đã có từ lâu nhưng phải đến thế kỷ thứ 19 thì mới phát triển mạnh mẻ

Tỷ lệ số máy mài trong tổng số máy cắt kim loại chiếm khoảng 30 %, tuy nhiên trong một số ngành đặc biệt như chế tạo ổ lăn thì số mày mài chiếm đến 60 %

8.1.2 Phạm vi và khả năng ứng dụng

Hiện nay, mài không những chỉ được sử dụng để gia công tinh mà còn dùng ở các nguyên công gia công thô khi cần có năng suất và hiệu quả kinh tế cao Người ta đã dùng phương pháp mài thô để gia công những chi tiết nặng đến 125 tấn, lượng dư khoảng 6 mm trên máy mài cở lớn công suất đến 250 KW, mỗi giờ có thể cắt được 250÷360 kg kim loại (nhờ có vận tốc cắt cao)

Khi gia công tinh bằng phương pháp mài, chi tiết có thể đạt Ra =1,25 ÷0,63 µm, độ chính xác kích thước đạt được đến 0,002 ÷ 0,003 mm

8.1.3 Các dạng gia công mài

8.1.3.1 Mài tròn ngoài

Mài tròn ngoài thường dùng để gia công các mặt trụ ngoài (hình 8.1 a) Chi tiết và đá

mài có các chuyển động tương đối sau:

- Chi tiết quay tròn và đồng thời chuyển động tịnh tiến dọc trục (chạy dao dọc), đá mài quay tròn và sau mỗi lượt cắt lại đi sâu vào chi tiết một chiều sâu cắt t

- Chi tiết quay tròn, đá mài vừa quay tròn vừa thực hiện hai chuyển động tịnh tiến dọc

và ngang

8.1.3.2 Mài tròn trong

Chi tiết và đá mài có chuyển động quay ngược nhau, đá mài có chuyển động ngang để

ăn hết chiều sâu cần cắt Đá mài hoặc chi tiết có chuyển động dọc trục để gia công hết chiều dài chi tiết (hình 8.1 b)

8.1.3.3 Mài phẳng

Có thể dùng chu vi hoặc mặt đầu của đá mài để mài phẳng (hình 8.1 c) Đá mài có chuyển động quay tròn và sau mỗi hành trình bàn máy có chuyển động chạy dao để cắt hết bề mặt Chi tiết kẹp trên bàn máy có chuyển động tịnh tiến hoặc quay theo bàn máy

Mài dây (hình 8.1 d) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy Các ưu điểm của mài dây là : không cần cân bằng hoặc sửa dây (như cân bằng và sửa các loại đá mài), có thể thay đổi đặc tính của quá trình mài nhờ việc thay đổi cặp con lăn tiếp xúc Chất dính kết để làm dây mài có hệ số ma sát với kim loại nhỏ nên lực cắt, nhiệt cắt sẽ giảm dẫn đến công suất

và giá thành giảm và chất lượng tăng lên Tuổi thọ của dây mài được đánh giá qua lượng kim loại hớt được và yếu tố này phụ thuộc vào lực căng dây, tốc độ dây, chuyển động chạy dao và vật liệu gia công

Hình 8.1 Các dạng gia công mài

8.1.3.5 Mài vô tâm (hình 8.2)

Chi tiết được đặt tự do trên một thanh tì giữa hai viên đá : một viên đá mài đảm nhận nhiệm vụ cắt, viên kia đảm bảo làm quay chi tiết và làm cho chi tiết dịch chuyển dọc trục (nhờ

nó được đặt nghiêng một góc α =1,5 ÷ 6o nên tạo ra chuyển động Sd = Vd.sinα) gọi là đá dẫn

Hình 8.2 b là phương pháp mài vô tâm trong Đá dẫn 1 làm quay chi tiết 2 với tốc độ vct (vct rất bé so với tốc độ của đá vđ) Con lăn 4 quay theo chi tiết 2, tỳ chặt chi tiết vào con lăn 5 Cuối hành trình làm việc cần 6 sẽ đẩy chi tiết ra khỏi vị trí làm việc

Mài vô tâm là phương pháp mài cho hiệu quả cho hiệu quả kinh tế cao, vì phương pháp này cho phép giảm được thời gian định vị và kẹp chặt chi tiết, ít gây phế phẩm, đồng thời không yêu cầu tay nghề cao và dễ tự động hóa

a) b)

lò xo

Hình 8.2 Mài vô tâm : a) ngoài, b) trong

8.1.3.6 Mài khôn

Đây là phương pháp chủ yếu dùng gia công tinh lỗ Đầu khôn gồm một thân có gắn một

số thanh mài có độ hạt nhỏ (hình 8.3 a) Khi mài, đầu khôn quay với tốc độ v = 8 ÷ 75 m/ph và tịnh tiến chậm dọc trục với tốc độ vs = 5 ÷ 20 m/ph, do đó sẽ tạo thành những vết cắt chéo nhau (hình 8.3 b) Độ chính xác khi mài khôn đạt cấp 5 ÷ 6, Ra đạt 0,4 ÷0,1 µm Mài khôn cũng cho phép sửa được phần lớn sai số hình dạng của lỗ

Hình 8.3 Mài khôn Hình 8.4 Mài siêu tinh

8.1.3.7 Mài siêu tinh

Tương tự như mài khôn, nhưng mài siêu tinh thường dùng để gia công mặt ngoài và ngoài chuyển động quay tròn của chi tiết và chuyển động chạy dao dọc của thanh mài, thì thanh mài còn có chuyển động lắc qua lại (dao động với biên độ 3 ÷5 mm với tần số 25 ÷ 50 htk/giây) Áp lực của thanh mài đặt vào bề mặt gia công bé (1,5 ÷2,5 KG/cm2) Độ bóng bề mặt gia công đạt được khi mài siêu tinh rất cao, có thể đạt Ra ≤ 0,1 µm

8.1.3.8 Đánh bóng: Dùng bột mài hạt nhỏ trộn với dầu nhờn đặc bôi lên bánh đánh

bóng đàn hồi quay với tốc độ cao

8.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP MÀI

So với một số dạng gia công khác, phương pháp mài có một số đặc điểm sau:

- Tốc độ cắt khi mài lớn (khi mài tròn ngoài vđ = 18 ÷ 50 m/s, khi mài tròn trong vđ = 8

÷ 35 m/s, khi mài phẳng bằng mặt trụ đá mài vđ = 18 ÷ 35 m/s, khi mài mặt phẳng bằng mặt đầu đá mài vđ = 20 ÷ 45 m/s)

a) Tiết diện phoi cắt khi mài bé

b) Độ cứng của hạt mài cao, do đó có thể cắt được các vật liệu cứng mà các dụng cụ cắt khác không cắt gọt được như thép đã tôi, hợp kim cứng v.v

c) Đá mài gồm các hạt mài có hình dạng, vị trí khác nhau liên kết với nhau bằng chất dính kết Khi mài một số lớn hạt mài cùng đồng thời tham gia cắt với các lưỡi cắt không liên tục và các góc cắt không hợp lý (γ thường <0) Vì vậy có thể xem quá trình mài là một quá trình cạo xướt liên tục bề mặt gia công

d) Do không thể thay đổi được hình dạng và vị trí hạt mài trên đá mài nên việc điều khiển quá trình mài rất khó khăn

e) Do tốc độ cắt cao và góc cắt không hợp lý nên khi mài nhiệt độ rất cao (1000oC) f) Trong quá trình mài, hạt mài bị cào xướt hoặc vở vụn Các hạt mài bị mài mòn nên mất khả năng cắt, một số hạt mài do bị mòn nên lực cắt tác dụng tăng lên nên có thể tự bong ra khỏi đá (gọi là khả năng tự mài sắc của đá)

g) Lực cắt khi mài thường không lớn (trung bình 300 ÷ 400 N) vì tiết diện lớp cắt bé Tuy nhiên công suất cắt khi mài lớn vì tốc độ cắt khi mài cao Khi xét các lực tác dụng lên hạt mài (hình 8.5), ta thấy rằng : lực P tác dụng lên hạt mài có thể phân thành hai thành phần : Pz theo phương tốc độ cắt và PN nén hạt mài về phía bề mặt gia công (hình 8.5 a)

Ngược lại nếu xét lực của chi tiết tác dụng lên mặt trước hạt mài : các lực phân tố pháp tuyến N1, N2, , Nn và các lực ma sát F1, F2, , Fn Có thể thay các lực phân tố trên bằng hai lực tổng hợp N và F đặt tại điểm x trên hạt mài (hình 8.5 b) Các lực F và N này sẽ cân bằng với các lực Pz và PN

Khi chi tiết tác dụng vào hạt mài lực N thì ngược lại hạt mài sẽ nén vào chi tiết một lực cân bằng N’ (có giá trị bằng N và ngược chiều) Phân N’ thành hai thành phần : S1 tác dụng trên mặt trượt và S2 tác dụng thẳng góc với mặt trượt Tương tự như vậy lực F’ (cân bằng với F) được phân thành T1 trên mặt trượt và T2 thẳng góc với mặt trượt

Kim loại sẽ được cắt ra với điều kiện [Nguyên lý gia công vật liệu]:

1 ' 2

sin

θ

= (8.1) trong đó : τs - ứng suất tiếp, f - diện tích cắt, µ’ - hệ số ma sát trên mặt trượt

Từ đó người ta tính được :

) sin(

) ' (

) cos(

) 1

( sin

) sin (cos

θ γ µ

µ θ γ µ

µ

−

=

x x

x x

s Z

f

sinθ(1−µµτ′)cos(. .(cosγ +γθ)−µ(.sinµ+γµ'))sin(γ +θ)

+

=

x x

x x

s N

f

trong đó : γx – góc trước của hạt mài tại điểm x, µ - hệ số ma sát ở mặt trước của dụng cụ

Lực tổng hợp R khi mài bằng tích của P với số lượng hạt mài đồng thời tham gia cắt

Hình 8.5 Phân tích lực cắt khi mài

Hình 8.6 Đá mài

8.3 ĐÁ MÀI

Đá mài là dụng cụ cắt nhiều lưỡi gồm các hạt mài có hình

dạng hình học và kích thước khác nhau được gắn liền với nhau bằng

chất dính kết thành một thể thống nhất Khi đá mài cùn, người ta tiến

hành sửa đá (dùng dụng cụ sửa đá làm bong các hạt mài cùn ra để lộ

các hạt mài mới phía trong)

Đá mài được đặc trưng bằng kích thước và hình dạng hình

học, vật liệu hạt mài, chất dính kết, độ hạt, độ cứng, cấu trúc Các

thông số cơ bản của đá mài được ghi trong nhãn hiệu trên bề mặt của

đá mài như hình 8.6)

8.3.1 Vật liệu hạt mài

Có hai loại : thiên nhiên và nhân tạo Vật liệu mài càng cứng càng tốt

8.3.1.1 Loại thiên nhiên

Loại này hiện nay thường rất ít dùng, gồm :

- Kim cương : có độ cứng cao nhất, sức bền không cao, cháy ở 800oC

- Oxyt nhôm : thành phần chủ yếu là Al2O3 ở dạng tinh thể, độ cứng chỉ thua kim cương và cacbit bo), có màu từ hồng đén xám, thường dùng ở dạng bột mịn và bột nhảo trong nguyên công mài bóng

- Cacborun : dạng oxyt nhôm nhưng hàm lượng oxyt nhôm thấp, độ cứng thấp

- Thạch anh : thành phần chủ yếu là oxyt silic, chủ yếu dùng cho các thanh mài hoặc giấy nhám dùng cho gỗ, da

8.3.1.2 Loại nhân tạo

- Kim cương nhân tạo : tổng hợp từ graphit ở nhiệt độ 2500 ÷ 2700oC và áp suất

100000 atm Có nhiều loại có độ bền cơ học lớn hơn kim cương thiên nhiên

- Nitrit bo lập phương (KHb) : liên kết hoá học của bo và nitơ, có độ cứng gần bằng kim cương, nhưng độ bền nhiệt thì tăng gấp đôi Đá mài nitrit bo đắt hơn đá mài oxyt nhôm nhiều nhưng hiệu quả kinh tế cao

- Oxyt nhôm điện : oxyt nhôm thu được trong lò điện từ quặng boxit Gồm có oxyt nhôm điện thường (dùng để mài thô, mài bán tinh và mài tinh các loại vật liệu có sức bền cao như thép, gang rèn , hoặc mài sắc các loại dụng cụ bằng thép các bon dụng cụ), oxyt nhôm điện trắng và oxyt nhôm điện đơn tinh thể (hai loại này dùng để mài bán tinh và mài tinh các loại thép hoặc mài sắc dao bằng thép dụng cụ)

- Cacbit silic (SiC): liên kết hóa học giữa Si và C Gồm có cacbit silic xanh có độ cứng cao dùng để mài sắc hợp kim cứng, vật liệu sứ và cacbit silic đen dùng để gia công các loại vật liệu sức bền thấp như gang, đồng thau, alumin

- Cacbit bo (B4C) : có độ cứng rất cao, chỉ kém kim cương và nitrit bo lập phương Dùng dưới dạng bột mịn và bột nhão để mài bóng các loại vật liệu cứng như thạch anh, cương ngọc

- Cacbit bo silic (BI): khác với cacbit bo ở chỗ không có tạp chất nên tính năng ổn định, bền và rẻ hơn Thường dùng ở các nguyên công đánh bón (năng suất cao hơn cacbit bo

30 ÷ 40 %)

8.3.2 Độ hạt

Độ hạt của đá mài được biểu thị bằng kích thước thực tế của hạt mài (tiêu chuẩn Nga) hoặc số lỗ sàng trên 1 cm2 (theo tiêu chuẩn một số nước như Anh, Mỹ, Pháp ) Như vậy theo tiêu chuẩn thứ nhất thì ký hiệu càng nhỏ độ hạt sẽ càng nhỏ, ngược lại theo tiêu chuẩn thứ hai thì ký hiệu càng nhỏ, độ hạt càng lớn Bảng 8.1 cho ta một số ký hiệu độ hạt theo cả hai tiêu chuẩn

8.3.3 Chất dính kết

Có ba nhóm chất dính kết thường dùng là : chất dính kết vô cơ (keramit, silicat ), chất dính kết hữu cơ (bakelit, vunganit ) và chất dính kết kim loại

Bảng 8.1 Ký hiệu độ hạt mài

Ký hiệu

theo độ hạt

(×0,01 mm)

Ký hiệu theo số lỗ

Giới hạn của các kích thước dài (µm)

Ký hiệu theo

độ hạt (×0,01 mm)

Ký hiệu theo số lỗ

Giới hạn của các kích thước dài (µm)

200

160

125

100

80

63

50

40

32

25

20

16

10 12 16 20 24 30 36 46 54 60 70 80

2500-2000 2000-1600 1600-1250 1250-1000 1000-800 800-630 630-500 500-400 400-38 38-250 250-200 200-160

12 10 8 6 5 4 3

100 120 80 180 230 280 320

160-125 125-100 100-80 80-63 63-50 50-40 40-28

Bột mài mịn (1.10 -3 mm)

M40 M28 M20 M14 M10 M7 M5

400 500 600 800 1000

40-28 28-20 20-14 14-10 10-7 7-5 5,5-5

8.3.3.1 Chất dính kết ceramit ( ký hiệu Nga :K, Việt Nam: G - gốm) : gồm đất sét

chịu nóng + trường thạch, đôi khi còn có thạch anh), được dùng phổ biến nhất Ưu điểm là chịu nước, chịu lửa, chịu ẩm và có độ bền hóa học cao Có thể mài với tốc độ đến 65 m/s

8.3.3.2 Chất dính kết silicat (Nga : C, Việt nam : C) : có nền silicat natri với các chất

phụ gia (oxyt chì, phấn, thạch cao, ) các tính năng của chất dính kết silicat đều thua keramit trừ khả năng tự mài sắc thì cao hơn

8.3.3.3 Chất dính kết bakelit (Nga : Б, Việt Nam : B) : gồm axit cacbonic và

phooocmalin Loại này được dùng phổ biến sau ceramit Đá mài dùng bakelit sử dụng có hiệu quả để cắt đứt, mài thô, mài tinh cũng như mài sắc dao hợp kim cứng Nhược điểm của loại này là sức bền cơ học của bản thân bakelit cũng như lực giữ hạt mài giảm nhanh ở nhiệt độ 200

÷250oC) và khi dùng dung dịch trơn nguội có chất kiềm (chứa quá 1,5% xút) thì chất dính kết bakelit bị phá huỷ

8.3.3.4 Chất dính kết vunganit (Nga : B, Việt Nam : V) :nguyên liệu chính là cao su

tổng hợp Đá mài vunganit có độ bền cao hơn bakelit do đó có thể làm việc được ở tốc độ cao hơn Nhược điểm của chất dính kết này là chịu nhiệt thấp nên khi gia công bắt buộc dùng dung dịch trơn nguội Chất dính kết này thường được dùng để chế tạo các loại đá mài, đá cắt, đá mài

để gia công tinh, đánh bóng

8.3.3.5 Chất dính kết kim loại (ký hiệu Việt : M) : thường dùng cho đá mài kim cương,

có thể dùng đồng, nhôm, sắt, côban, niken

8.3.4 Độ cứng của đá mài

Độ cứng của đá mài là khả năng chống lại sự rứt hạt mài ra khỏi mặt làm việc của đá

dưới tác dụng của ngoại lực Độ cứng của đá mài hoàn toàn khác với độ cứng của hạt mài.

Cùng một loại vật liệu mài có thể chế tạo ra các đá mài có độ cứng khác nhau Bảng 8.2 cho thang độ cứng của đá mài theo TCVN 611-64 và tiêu chuẩn Liên Xô củ (ГOCT)

Bảng 8.2 Thang độ cứng của đá mài

Độ cứng đá mài Ký hiệu theo TCVN Ký hiệu theo ГOCT Ký hiệu Trung quốc

Mềm

Mềm vừa

Trung bình

Cứng vừa

Cứng

Rất cứng

Đặc biệt cứng

M1, M2, M3 MV1, MV2 TB1, TB2 CV1, CV2, CV3 C1, C2 RC1, RC2 ĐC1, ĐC2

M1, M2, M3 CM1, CM2 C1, C2 CT1, CT2, CT3 T1, T2 BT1, BT2 ЧT1, ЧT2

R1, R2, R3 ZR1, ZR2 Z1, Z2 ZY1, ZY2, ZY3 Y1, Y2 CY1, CY2 -Trong phân nhóm thì độ cứng tăng dần theo thứ tự 1, 2, 3

8.3.5 Cấu trúc của đá mài (mật độ đá mài)

Cấu trúc của đá mài là tương quan về mặt số lượng giữa thể tích hạt mài (Vhm), thể tích chất dính kết (Vcdk) và thể tích khoảng trống trong đá (Vkk) Ta có :

Vhm+ Vcdk + Vkk = 100 %

TCVN qui định mật độ (cấu trúc) đá mài có 12 cấp từ 1 đến 12 Cấp mật độ càng lớn thì đá mài càng xốp (bảng 8.3) Hình 8.7 biểu diễn cấu trúc đá mài

Bảng 5.3 Lượng hạt mài theo cấu trúc (mật độ)

Cấp mật độ Lượng hạt

mài (%)

Cấp mật độ Lượng hạt

mài (%)

Cấp mật độ Lượng hạt

mài (%)

Đối với đá mài kim cương thì thường gồm có thân kim loại và một vành kim cương có chiều dày từ 1,5 đến 3 mm bao quanh Mật độ kim cương là lượng hạt mài kim cương có trong

1 mm3 của vành kim cương của đá thường gặp đá kim cương với mật độ 50 % (2,2 cara/ cm3),

100 % (4,4 cara/ cm3) và 125 % (5,5 cara/ cm3)

Hình 8.7 Cấu trúc của đá mài