Đang tải... (xem toàn văn)
Đá mài gián đoạn, một cải tiến của đá mài thường, đã chứng minh khả năng cắt tốt hơn so với đá mài thường cùng loại, nhất là với chất lượng độ nhám bề mặt thu được. Để đánh giá khả năng cắt của đá thì ngoài các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công thì các chỉ tiêu khác như lực cắt và đặc biệt là nhiệt cắt cũng cần được xét tới bởi nó có ảnh hưởng trực tiếp tới tính chất cơ lý tính lớp bề mặt của chi tiết gia công cũng như năng lượng tiêu thụ cho quá trình mài. Bài báo này tập trung nghiên cu trường nhiệt độ trong quá trình gia công mài bằng đá mài gián đoạn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy độ tin cậy và tính khả thi của mô hình trong trường hợp phân tích quá trình mài nhóm vật liệu có độ cứng cao mà cụ thể là thép làm khuôn SKD11 đã nhiệt luyện bằng đá mài gián đoạn. Ngoài ra, kết quả nghiên cu cũng chứng minh khả năng giảm nhiệt cắt (lên tới 26,61%) của đá mài gián đoạn so với đá mài thường Từ khóa: Đá mài gián đoạn , Trường nhiệt cắt, Vật liệu SKD11 nhiệt luyện
III Kết mô phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS thảo luận 3.1 Kết mô ứng suất dư Trong mô này, ba hạt mài vật liệu nhôm oxit (AL 2O3) chọn đại diện cho lưỡi cắt hạt mài q trình mài Kích thước hạt mài (Cn46) 425 x 425 x 355 micromet Kích thước phơi 1000 x 1000x180 micromet Do kích thước hạt nhỏ ta coi hành trình cắt hạt mài khơng phải cung tròn mà trở thành đường thẳng Như hạt mài di chuyển với vận tốc cắt 15 m/s qua phôi Mặt đáy phôi bị hạn chế bậc tự chuyển động Mơ hình mơ bố trí hình sau: Hình 3.1.1: Mơ hình mơ q trình cắt hạt mài Với thời gian mô 7x10-5 giây, hạt mài chuyển động hết hành trình qua phôi Thông số vật liệu phôi hạt mài liệt kê bảng sau: STT Thông số Khối lượng riêng (kg.m-3) Module đàn hồi (Gpa) Hệ số poisson Hệ số Johnson-Cook hạt mài: Hạt mài 3950 330 0.33 Thép SDK11 8400 208 0.3 Initial Hardening Hardenin Yield Constant g Stress (Pa) (Pa) Exponent Strain Rate Constan t 88000000 45000000 0.64 0.007 0 Hệ số Johnson-Cook Phôi thép: Initial Yield Hardening Hardenin Strain Stress (Pa) Constant g Rate (Pa) Exponent Constan t Thermal Softenin g Exponen t 0.6 Melting Temperatur e (C) Referenc e Strain Rate (/sec) 1350 Thermal Softenin g Exponen t 3.38 Melting Temperatur e (C) Referenc e Strain Rate (/sec) 176600000 90400000 0.39 0.012 1459.85 0.01 0 Kết ứng suất dư hạt mài để lại bề mặt phơi biểu thị hình sau: Hình 3.1.2 : Ứng suất dư phơi với chiều sâu cắt 0.005 mm 0.01 mm Nhận xét: • Với chiều sâu cắt nhỏ cỡ vài micromet, ứng suất dư khơng tuyến tính với Ta thấy kết với chiều sâu cắt 0.005 mm 666 Mpa t=0.01 mm 600 Mpa • Với chiều sâu cắt từ t=0.01 mm, 0.02 mm, 0.05 mm, 0.07 mm, ứng suất chiều sâu cắt tuyến tính với Ta quan sát rõ qua biểu đồ sau: Hình 3.1.5: Đồ thị quan hệ chiều sâu cắt ứng suất dư 3.2 Kết mô trường nhiệt độ ứng suất dư nhiệt gây Mô hình mơ nhiệt ứng xuất dư gây thay đổi nhiệt độ bề mặt phơi dựa mơ hình nguồn nhiệt di chuyển Jaegers hình sau: Hình 3.2.1 Mơ hình mơ cho tốn trường nhiệt độ Trong mơ hình kích thước phơi theo chiểu dài rộng cao 70×30×25 mm Vật liệu phơi thép SKD11 với thông số nhiệt sau: Bảng thông số vật liệu thép SKD11 (*) STT Thông số vật liệu Module đàn hồi (GPa) Hệ số Poisson Khối lượng riêng( kg.m-3) Hệ số dẫn nhiệt (W.m-1K-1) Hệ số dãn nở nhiệt (m.m-1K-1 Nhiệt dung riêng (J.kg-1.K-1) (*) tham khảo số liệu từ Becze Elbestawi, 2002 Giá trị 208 0.3 8400 20.5 11 461 Do hạn chế tốc độ máy tính nên nghiên cứu nhiệt ứng suất nhiệt sinh trình mài chưa thể mơ kích thước vi mơ (kích thước micro) Các mơ đề mơ kích thước vĩ mơ (kích thước macro) Để làm việc cần có cơng thức chuyển đổi từ chế độ cắt thành thông lượng nhiệt đặt lên bề mặt cắt phôi - Thông lượng nhiệt xác định cơng thức sau: Trong đó: - : thơng lượng nhiệt : lực cắt tiếp tuyến (N) : vận tốc cắt (m/s) : hệ số biến đổi lượng q trình : hệ số truyền nhiệt vào phơi : độ dài cung tiếp xúc đá mài chi tiết gia công (mm) Trong công thức (1) hệ số đặc trưng cho phần trăm lượng chuyển từ trình mài sang dạng nhiệt Với trình mài gần tồn lượng sinh chuyển hóa dạng nhiệt [2] nên hệ số Hệ số đặc trưng cho lượng nhiệt chuyển từ trình vào phơi Đối với trường hợp gia cơng đá mài sử dụng hạt mài Corundun chất kết dính gốm = 0.85 chiều dài cung tiếp xúc đá mài phôi xác định: Trong đó: - : chiều sâu cắt (mm) : đường kính đá mài (mm) : độ dài cung tiếp xúc đá mài chi tiết gia công (mm) Trong công thức thành phần lực cắt tiếp tuyến cần xác định thực nghiệm Các đo đạc thực nghiệm để xác định lực cắt tiếp tuyến pháp tuyến trình cắt với loại đá mài xẻ rãnh với chiều sâu cắt khác thực xưởng thí nghiệm thực hành môn gia công vật liệu dụng cụ cơng nghiệp, Khoa Cơ khí Đại Học Bách khoa Hà Nội bố trí sơ đồ hình 3.2.1 Hình 3.2.2 Sơ đồ bố trí thực nghiệm q trình mài Kết thực nghiệm thu sau: TN 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Chiều sâu cắt (t) 0.02 0.02 0.02 0.05 0.05 0.05 0.07 Số Lượn rãnh g chạy đá mài dao Sd (Z) 12 15 20 12 15 20 12 Nhiệt độ Max ĐN-02-Cn46 20 81.4 20 76.5 20 78.8 20 79.09 20 82.01 20 77.00 20 84.00 Lực max theo phươn gZ Lực max theo phươn gY Rung (RMS) 28.94 12.30 21.40 52.46 38.63 40.39 58.46 21.98 8.07 16.5 45.74 32.92 27.78 53.77 0.70 0.69 0.63 0.84 1.16 1.24 1.09 2.8 2.9 0.07 0.07 15 20 20 83.01 58.05 36.45 1.39 20 77.00 63.03 40.87 1.34 ĐTh-04-Cn46 4.1 0.02 12 86.49 23.35 28.15 0.60 4.2 0.02 15 86.78 26.76 21.56 0.46 4.3 0.02 20 87.01 31.86 24.68 0.58 4.4 0.05 12 87.51 68.99 61.05 0.56 4.5 0.05 15 87.68 57.85 41.44 0.64 4.6 0.05 20 88.54 61.38 43.51 0.63 4.7 0.07 12 88.78 68.23 55.32 0.78 4.8 0.07 15 89.05 86.08 55.64 0.83 4.9 0.07 20 90.02 90.93 58.60 0.81 Đầu tiên ta tiến hành mơ q trình nhiệt cho đá mài thường (z=0) chiều sâu cắt t= 0.02 mm , t=0.05 mm t=0.07 mm Thông lượng nhiệt trường hợp là: t= 0.02 mm: q = × 0.85 × 15 × 23.35 350× 0.02 × = 22.5 (W.m-2.oC) t=0.05 mm q = × 0.85 × 15 × 68.99 350× 0.05 × = 42.054 (W.m-2.oC) t=0.07 mm q = × 0.85 × 15 × 68.23 350× 0.07 × = 35.15 (W.m-2.oC) Sau ta so sánh nhiệt ứng suất nhiệt với trường hợp dùng đá mài xẻ rãnh để thấy khác nhiệt độ sinh bề mặt chi tiết mài ứng suất nhiệt cho trường hợp Kết q trình mơ nhiệt ứng suất nhiệt cho đá mài thường thể sau: Hình 3.2.3 Nhiệt độ chi tiết mài với đá mài thường (z=0) chiều sâu cắt t=0.02 mm Hình 3.2.4 Ứng suất nhiệt chi tiết mài với đá mài thường (z=0) chiều sâu cắt t=0.02 mm Hình 3.2.5 Nhiệt độ chi tiết mài với đá mài thường (z=0) chiều sâu cắt t=0.05 mm Hình 3.2.6 Ứng suất nhiệt chi tiết mài với đá mài thường (z=0) chiều sâu cắt t=0.05 mm Hình 3.2.5 Nhiệt độ chi tiết mài với đá mài thường (z=0) chiều sâu cắt t=0.07 mm Hình 3.2.6 Ứng suất nhiệt chi tiết mài với đá mài thường (z=0) chiều sâu cắt t=0.07 mm Tiếp theo ta mô trường hợp đá mài xẻ rãnh với số rãnh z=20 Thông lượng nhiệt trường hợp là: t=0.02 mm q = × 0.85 × 15 × 28.94 350× 0.02 × = 27.89 (W.m-2.oC) t= 0.05 mm q = × 0.85 × 15 × 52.46 350× 0.05 × = 31.99 (W.m-2.oC) t= 0.07 mm q = × 0.85 × 15 × 58.46 350× 0.07 × = 30.11 (W.m-2.oC) Hình 3.2 Kết mơ nhiệt độ mài với t=0.02 mm Hình 3.2.3: Kết mơ nhiệt độ mài với t=0.05 mm Hình 3.2.4: Kết mô nhiệt độ mài với t=0.07 mm Hình 3.2.5: Đồ thị biểu thị quan hệ nhiệt độ lớn trình mài chiều sâu cắt với đá mài xẻ rãnh (Z=20) Hình 3.2.6: Biểu đồ thay đổi nhiệt độ theo thời gian vị trí cách bề mặt gia cơng mm với chiều sâu cắt t=0.02 mm với đá mài xãnh (Z=20) Hình 3.2.7: Biểu đồ thay đổi nhiệt độ theo thời gian vị trí cách bề mặt gia công 1mm với chiều sâu cắt t=0.05 mm với đá mài xẻ rãnh (Z=20) Hình 3.2.8: Biểu đồ thay đổi nhiệt độ theo thời gian vị trí cách bề mặt gia cơng 1mm với chiều sâu cắt t=0.07 mm với đá mài xẻ rãnh (Z=20) Ứng suất trình cắt với đá mài xẻ rãnh Z=20: Sau thu trường nhiệt độ, sử dụng kết mơ làm đầu vào toán ứng suất nhiệt Với thời gian mơ tốn tương ứng với thời gian mơ tốn nhiệt Điều kiện biên học gối tựa không ma sát vào mặt đáy phôi Ta thu kết ứng suất sau: Hình 3.3.1: Ứng suất nhiệt phơi với chiều sâu cắt t=0.02 mm (Z=20) Hình 3.3.2: Ứng suất nhiệt phôi với chiều sâu cắt t=0.05 mm (Z=20) Hình 3.3.4: Ứng suất nhiệt phơi với chiều sâu cắt t=0.07 mm (Z=20) Hình 3.3.5: Đồ thị quan hệ ứng suất nhiệt chiều sâu cắt trình mài (Z=20) Nhận xét kết mơ ứng suất nhiệt q trình mài với đá mài xẻ rãnh: Ứng suất sinh tương ứng với chiều sâu cắt t=0.02 mm, 0.05 mm, 0.07 mm 597.31 MPa, 684.6 MPa 763.17 MPa Các ứng suất tỷ lệ thuận với nhiệt độ sinh q trình mài nên tương ứng tỷ lệ tuyến tính với chiều sâu cắt Các ứng suất lớn đạt cuối hành trình cắt nhiệt độ vùng cuối hành trình đạt lớn nhìn chung vùng hành trình cắt biến thiên lên giá trị max giảm xuống theo nhiệt độ Mối quan hệ nhiệt độ ứng suất trình mài: - Biểu đồ quan hệ nhiệt độ ứng suất dư Hình 3.3.6: Đồ thị quan hệ nhiệt độ ứng suất nhiệt dư với chiều sâu cắt t =0.02 mm Hình 3.3.7: Đồ thị quan hệ nhiệt độ ứng suất nhiệt dư với chiều sâu cắt t =0.05 mm Hình 3.3.8: Đồ thị quan hệ nhiệt độ ứng suất nhiệt dư với chiều sâu cắt t =0.07 mm Nhiệt độ nguyên nhân gây dãn nở nhiệt Khi vùng gia công qua bề mặt phôi nhiệt độ giảm đột ngột gây ứng suất dư Vì nhiệt độ ứng suất dư hai đại lượng tỷ lệ thuận Nhìn vào đồ thị quan hệ nhiệt độ ứng suất dư chiều sâu cắt hình ta thấy nhiệt độ ứng suất dư tuyến tính với 3.3 Độ nhám bề mặt chi tiết mài phẳng đá mài sẻ rãnh Thực nghiệm xác định lực cắt tiếp tuyến pháp tuyến trình mài đồng thời cung cấp giá trị độ nhám bề mặt chi tiết sau trình mài Các giá trị đo thực nghiệm thể bảng sau: TN Chiều sâu cắt (t) Lượn Số g chạy rãnh dao Sd đá mài (Z) Độ nhám Điểm ĐN-02-Cn46 2.1 0.02 2.2 0.02 2.3 0.02 2.4 0.05 2.5 0.05 2.6 0.05 2.7 0.07 2.8 0.07 2.9 0.07 ĐTh-04-Cn46 4.1 0.02 4.2 0.02 4.3 0.02 4.4 0.05 4.5 0.05 4.6 0.05 4.7 0.07 4.8 0.07 4.9 0.07 Điểm Điểm3 12 15 20 12 15 20 12 15 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 0.293 0.310 0.325 0.504 0.512 0.562 0.576 0.578 0.616 0.286 0.308 0.314 0.509 0.531 0.566 0.578 0.579 0.613 0.298 0.392 0.368 0.519 0.537 0.569 0.596 0.601 0.616 12 15 20 12 15 20 12 15 20 0 0 0 0 0.231 0.298 0.310 0.498 0.532 0.579 0.581 0.635 0.696 0.214 0.287 0.324 0.496 0.546 0.586 0.578 0.648 0.701 0.258 0.268 0.347 0.475 0.512 0.596 0.601 0.654 0.747 Hình 3.3.1 Biểu đồ độ nhám với chiều sâu cắt khác đá mài thường Hình 3.3.2 Biểu đồ độ nhám với chiều sâu cắt khác đá mài xẻ rãnh Trong bảng sử dụng hai loại đá mài, loại thứ đá mài thường (z=0) với kích thước hạt mài 425×425×355 micromet, loại thứ đá mài xẻ rãnh (z=20) với kích thước hạt mài 425×425×355 micromet Từ biểu đồ độ nhám với chiều sâu cắt khác thấy chiều sâu cắt tuyến tính với độ nhám Với đá mài xẻ rãnh, chiều sâu cắt tối ưu để đạt độ nhám bề mặt tốt la từ 0.02 mm đến 0.05 mm 3.4 Thảo luận chung: Nhận xét khác nhiệt độ ứng suất nhiệt với đá mài thường đá mài xẻ rãnh: - Nhiệt độ q trình mài đá mài thường ln lớn nhiệt độ dùng đá mài xẻ rãnh Ví dụ với chiều sâu cắt t= 0.02 mm nhiệt độ dùng đá mài - thường 388.34oC nhiệt độ dùng đá mài xẻ rãnh 401.71 oC Tương tự với chiều sâu cắt t=0.05 mm, ta có nhiệt độ lớn q trình mài với đá mài thường 699.01 oC đá mài xẻ rảnh nhiệt độ giảm - 456.11 oC Với chiều sâu cắt lớn t=0.07 mm ta thấy rõ khác hai loại đá mài, nhiệt độ lớn trình mài với đá mài thường 584.9 oC - đá mài xẻ rảnh nhiệt độ giảm 509.09 oC Xét ứng suất nhiệt sinh trình mài, với chiều sâu cắt nhỏ t=0.02 mm ta thấy ứng suất nhiệt lớn sinh trình mài đá mài thường 563.29 MPa với đá mài xẻ rãnh giá trị giảm 537.31 - MPa Tương tự với chiều sâu cắt t=0.05 mm, ứng suất nhiệt lớn trình mài với đá mài thường 1052.7MPa đá mài xẻ rảnh ứng suất nhiệt - giảm 684.6 MPa Với chiều sâu cắt t= 0.07 mm dùng đá mài thường ứng suất nhiệt sinh 890.63 MPa, giá trị cao ảnh hưởng lớn tới chất lượng bề mặt chi tiết mài Nhưng thay đá mài thường đá mài xẻ rãnh Z=20 ứng suất nhiệt tạo 763.17 MPa Như rõ ràng việc sử dụng đá mài xẻ rãnh làm giảm đáng kể nhiệt độ sinh - bề mặt chi tiết trình mài, qua ứng suất dư nhiệt giảm rõ rệt Từ kết thu cho thấy ưu điểm đá mài xẻ rãnh việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết mài Nhiệt độ trình cắt với đá mài xẻ rãnh: Nhiệt độ lớn với chiều sâu cắt t=0.02 mm 401.71 oC đạt cuối trình mài Trong hành trình đá mài dọc theo phơi, giá trị nhiệt độ không thấp nhiều so với nhiệt độ max đạt được, nghĩa vùng hành trình cắt chịu nhiệt độ sinh trình mài Nhiệt độ lớn với chiều sâu cắt t =0,05 mm 456.11 oC cuối hành trình đá mài Nhiệt độ lớn với chiều sâu cắt t =0,07 mm 509.09 oC cuối hành trình đá mài Nhìn vào đồ thị quan hệ nhiệt độ chiều sâu cắt ta thấy nhiệt độ chiều sâu cắt tỷ lệ thuận với theo quan hệ tuyến tính Nhiệt độ tăng từ 401 o C lên 509 oC chiều sâu cắt từ 0.02 mm lên 0.07 mm Nhiệt độ điểm cách bề mặt gia công mm tăng từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ max nằm khoảng 70-80 oC Nhiệt độ trình mài sinh chưa đạt đến nhiệt độ chảy dẻo vật liệu gây thay đổi module đàn hồi tính cứng vật liệu - Nhận xét chung khuyến nghị: Nhận xét: + Như ứng suất dư bề mặt phôi sau trình mài tổng hợp ứng suất dư lực cắt để lại (ứng suất dư cơ) ứng suất thay đổi nhiệt độ mà trình mài tạo (ứng suất nhiệt) + Các loại ứng suất nhiệt có mặt lợi mặt hại Nếu giá trị vừa phải ứng suất giúp tăng độ cứng bề mặt vật liệu gia công Đặc biệt thay đổi nhiệt trình mài tương đương trình Ram bề mặt phôi làm tăng độ cứng bề mặt nhiên với nhiệt độ cao làm giảm độ cứng vật liệu phôi ứng suất dư bề mặt phá hủy chi tiết trình làm việc sau chi tiết Khuyến nghị: + Với ứng suất dư lực cắt dư gây ra, ta giảm cách tăng vận tốc cắt đá mài, đá mài với động đủ lớn bóc tách tồn phoi dư không để lại lực cắt dư bề mặt phôi + Tuy nhiên tăng vận tốc cắt đồng nghĩa với tăng thông lượng nhiệt trường nhiệt độ bề mặt ảnh hưởng xấu tới chất lượng phơi Vì cần áp dụng biện pháp giảm nhiệt cưỡng sử dụng dung dịch tưới nguội dùng khí lạnh làm giảm nhiệt độ bề mặt phôi gia công Với việc sử dụng dung dịch tưới nguội, khí lạnh để làm mát vùng gia cơng giảm xuống 200 độ C, ứng suất dư nhiệt giảm xuống mức an toàn + Dễ dàng nhận từ đồ thị quan hệ ứng suất nhiệt chiều sâu cắt, ứng suất nhiệt tăng cao chiều sâu cắt lớn Vì với trình mài tinh nên chọn chế độ cắt với chiều sâu cắt không 0.02 mm Khi ứng suất nhận nằm khoảng 400 MPa, không ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt chi tiết mài + Hệ số chuyển hóa lượng thành nhiệt trình mài yếu tố ảnh hưởng lớn tới nhiệt độ ứng suất dư nhiệt Hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm hạt mài chất kết dính tìm vật liệu có ưu điểm giảm hệ số chuyển hóa thành nhiệt góp phần giảm ứng suất nhiệt , tăng chất lượng chi tiết bề mặt sau mài + Việc sử dụng bánh mài tròn làm cho q trình tiếp xúc đá mài phôi liên tục, nhiệt độ bề mặt phơi tăng lên nhanh chóng Sử dụng đá mài xẻ rãnh giải pháp hiệu tính gián đoạn giúp cho sinh nhiệt giảm bớt ứng suất nhiệt theo giảm + Dựa vào kết mô nhiệt độ ứng suất nhiệt, ứng suất dư cơ, ta đưa kết luận chiều sâu cắt đá mài nằm khoảng 0.02 mm đến 0.05 mm khoảng nhiệt độ bề mặt chi tiết giữ nhưỡng nhỏ 400 oC, ảnh hưởng đến tính bề mặt qua việc độ nhám giữ ổn định nhưỡng chấp nhận Với chiều sâu cắt lớn hơn, nhiệt độ bề mặt tăng cao, ứng suất nhiệt tăng, hạt mài ăn sâu vào bề mặt làm cho độ nhám tăng rõ rệt + Cũng dựa vào kết mô thực nghiệm, ta thấy ưu điểm đá mài xẻ rãnh, giúp giảm nhiệt độ trình mài, giảm ứng suất nhiệt cải thiện chất lượng, giảm độ nhám bề mặt chi tiết mài cách đáng kể ... 86.49 23. 35 28. 15 0.60 4.2 0.02 15 86.78 26.76 21 .56 0.46 4.3 0.02 20 87. 01 31. 86 24.68 0 .58 4.4 0. 05 12 87 . 51 68.99 61. 05 0 .56 4 .5 0. 05 15 87.68 57 . 85 41. 44 0.64 4.6 0. 05 20 88 .54 61. 38 43 . 51 0.63... 20 12 15 20 12 15 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 0.293 0. 310 0.3 25 0 .50 4 0 . 51 2 0 .56 2 0 .57 6 0 .57 8 0. 616 0.286 0 .308 0. 314 0 .50 9 0 .53 1 0 .56 6 0 .57 8 0 .57 9 0. 613 0.298 0.392 0.368 0 . 51 9 0 .53 7 0 .56 9... 0 .59 6 0.6 01 0. 616 12 15 20 12 15 20 12 15 20 0 0 0 0 0.2 31 0.298 0. 310 0.498 0 .53 2 0 .57 9 0 .58 1 0.6 35 0.696 0. 214 0.287 0.324 0.496 0 .54 6 0 .58 6 0 .57 8 0.648 0.7 01 0. 258 0.268 0.347 0.4 75 0 . 51 2