Quá trình thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ dung dịch mài đến lượng vật liệu cắt gọt và độ nhám bề mặt được thực hiện với hạt mài có đường kính hạt mài trung bình là 7.5 µm và tốc độ ch[r]
(1)NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CÔNG MÀI TINH BỀ MẶT CẦU BẰNG CHẤT LỎNG PHI NEWTON
NGUYỄN ĐỨC NAM, VŨ VĂN BỘ
Khoa Cơng nghệ Cơ khí, Trường Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh; nguyenducnam@iuh.edu.vn
Tóm tắt Phương pháp gia công chất lỏng phi Newton phương pháp đơn giản để gia công bề mặt cầu phức tạp Trước đây, bề mặt cầu, để gia công mài tinh ta phải trải qua nhiều bước gia công phức tạp để đạt độ nhám bề mặt theo u cầu Để đơn giản hố q trình gia công, hạt mài trộn với chất kết dính để tạo thành hỗn hợp dung dịch mài chuyển động hỗn hợp dung dịch mài tạo ứng suất cắt tác động lên bề mặt cần gia công Trong báo nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ mài, nồng độ dung dịch mài kích thước hạt mài đến độ nhám bề mặt chi tiết lượng vật liệu cắt bỏ Kết thí nghiệm cho thấy rằng, tốc độ mài ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt gia công lượng vật liệu cắt bỏ Tốc độ gia cơng tăng lượng vật liệu cắt bỏ lớn độ nhám bề mặt giảm Bên cạch đó, nồng độ dung dịch mài ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công tốc độ mài Cịn kích thước hạt mài dường khơng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công mà ảnh hưởng đến lượng vật liệu cắt bỏ Cuối cùng, kết độ nhám bề mặt cầu thép có đường kính Ø32 mm sau gia cơng giảm từ Ra = 110 nm xuống Ra = 13 nm
Từ khoá Mài tinh bề mặt cầu, chất lỏng phi Newtơn, tốc độ mài, nồng độ dung dịch mài, kích thước hạt mài, lượng vật liệu cắt gọt, độ nhám bề mặt
EXPERIMENTAL STUDY ON POLISHING OF CURVED SURFACES BY NON-NEWTONIAN LIQUID MACHINING METHOD
Abstract Non-Newtonian liquid machining method is a simple method for processing complex curved surfaces Previously, the curved surfaces are polishing by complex machining process to achieve the required surface roughness To simplify the polishing process, the abrasives will be mixed with the binder to form a fluid of polishing slurry, in which the abrasives were dispersed When the polishing slurry is moved, it will produce a shear thickening stress on the polished curved surface In this study, the influence of polishing speed, abrasive concentration and abrasive size on the surface roughness and material removal rate were investigated by experiments The experimental results revealed that the polishing speed has the greatest influence on the polishing effect With the increase of the polishing speed, the material removal rate increases rapidly and smoother surfaces with better roughness can be obtained Abrasive concentration affects the polishing results in a manner that is similar to polishing speed Abrasive size seems to have no effect on the surface roughness, but material removal rate increases as the abrasive size decreases Finally, surface roughness of curved surfaces work-piece (Ø32 mm) was reduced rapidly from Ra = 110 nm to Ra = 13 nm
Keywords Curved surfaces polishing; non-Newtonian fluids; polishing speed; abrasive concentration; abrasive size; material removal rate; surface roughness
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
(2)đã phát triển áp dụng để gia công bề mặt cong, chẳng hạn công nghệ gia công xạ đàn hồi [4], gia công – hố học [5], gia cơng thuỷ động lực học [6], gia công chất lỏng từ biến [7,8] Phương pháp xạ đàn hồi gia công bề mặt cong đạt chất lượng cao hiệu suất thấp Phương pháp gia cơng – hố học đạt hiệu suất cao hơn, nhiên chất thải hố học gây ảnh hưởng đến mơi trường Phương pháp gia công chất lỏng từ biến áp dụng gia công bề mặt cong với độ xác bề mặt cao điều khiển máy tính Tuy nhiên, phương pháp ứng dụng hạn chế chi phí tương đối cao cho chất điện từ thiết kế điện cực Do đó, tìm phương pháp gia cơng để mài tinh bề mặt cong với hiệu suất, chất lượng cao giá thành thấp quan trọng Ngoài ra, cần phải thân thiện với môi trường yêu cầu cấp bách công nghệ
Trong báo này, phương pháp gia công mài tinh chất lỏng phi Newtơn đề xuất để cải thiện hiệu suất chất lượng bề mặt gia công Trong phương pháp này, ứng suất chất lỏng phi Newtơn sử dụng để tạo nên trình cắt gọt gia cơng [9] Cơ học q trình tạo ứng suất chất lỏng dựa hình thành, kết dính hạt tinh thể thể hình
a Phân tử hạt trạng thái cân b Phân tử hạt trạng thái ứng suất
Hình 1: Cơ học ứng suất chất lỏng chuyển động
Hiệu chất lỏng phi Newtơn tạo ứng suất cắt nhờ chuyển động chất lỏng Dưới tác dụng lực chuyển động, độ nhớt chất lỏng phi Newtơn thay đổi phản ứng hoàn toàn khác với chất lỏng thông thường Chất lỏng phi Newtơn có khả gia cơng linh hoạt với bề mặt cong mà đáp ứng yêu cầu cắt gọt chất lượng bề mặt, dung dịch mài sử dụng lại khơng gây ảnh hưởng đến mơi trường
Vì vậy, để đơn giản hố q trình gia cơng, tiết kiệm chi phí sản xuất gia cơng bề mặt cầu phương pháp dùng chất lỏng phi Newtơn cần thiết Trong báo này, mơ hình thí nghiệm gia công mài tinh bề mặt cầu thiết lập để nghiên cứu ảnh hưởng thông số gia cơng đến chất lượng bề mặt tính tốn lượng vật liệu cắt gọt để đánh giá khả gia công phương pháp
2 NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BẰNG CHẤT LỎNG PHI NEWTON
Hầu hết chất lỏng mà ta biết chất lỏng Newton tuân theo định luật ma sát Newton Theo Newton, “độ nhớt” thông số đại diện cho ma sát dịng chảy Ví dụ: quan sát tượng gió thổi mặt nước Gió tác động lên mặt nước lực định làm bề mặt nước chuyển động với
h
Hạt xúc tác kết dính
Dung mơi
Tinh thể hạt kết dính
h
τ
(3)vật tốc v Dưới tác động độ nhớt (lực ma sát lớp chất lỏng), lớp nước liền kề bên bị kéo theo chuyển động lớp nước phía
Trong chất lỏng Newton, độ nhớt số lực tác động, thay đổi có thay đổi nhiệt độ Ví dụ, nước đơng đá lạnh tan chảy nóng, lắc chai đựng nước (dùng lực) độ nhớt nước khơng đổi hay dịng nước tiếp tục chảy bình thường lực tác động lên (hình 2.a)
Trong đó, độ nhớt chất lỏng phi Newton khơng phải số, thay đổi theo nhiều cách khác tác động hay nhiều yếu tố: lực, thời gian, nhiệt độ Khi độ nhớt thay đổi, loại chất lỏng phản ứng hoàn tồn khác chất lỏng thơng thường: lỏng hóa rắn, rắn hóa lỏng, dầy xốp lên
Sự tương tác hạt: chịu tác động lực, khoảng cách hạt hỗn hợp thay đổi Tại vị trí chịu lực, hạt chụm lại, tạo thành cụm có hình dạng tinh thể Đây nguyên nhân khiến dung dịch rắn lại (hình 2.b)
Hình 2: Cơ học tương tác hạt
Như vậy, kết hợp chất lỏng phi Newton với dung dịch hạt mài cho phương pháp gia công phù hợp với bề mặt phức tạp Hạt mài trộn lẫn vào dung dịch Trong trình gia cơng bề mặt chi tiết giữ cố định, đồng thời dung dịch cộng với hạt mài chuyển động
Cơ học trình gia cơng thể Hình Đầu tiên, dung dịch mài cho chuyển động để tạo ứng suất cắt Nếu tốc độ chuyển động chiều sâu cắt khơng đủ lớn q trình cắt gọt không diễn Hạt mài trượt lên bề mặt gia cơng lực thuỷ động tác dụng lên dung dịch mài khơng đạt u cầu (hình 3.a)
Sau lực thuỷ động tác dụng lên dung dịch đủ lớn tượng đơng đặc độ nhớt chất lỏng không tuân theo định luật Newton vùng tiếp xúc tăng lên nhanh chóng Lúc này, hạt phân tán hỗn hợp kết hợp thành cụm hạt, hạt mài bao quanh hạt kết dính (hình 3.b) Kết là, dung dịch mài vùng gia công hoạt động chất rắn tức thời, đĩa mài linh hoạt hình thành vùng tiếp xúc, cường độ mài tăng lên nhanh chóng tác động lên phơi để tăng tốc độ loại bỏ vật liệu (hình 3.c) Để tăng tốc độ loại bỏ vật liệu cần tăng tốc độ của dịng dung dịch mài chiều sâu tiếp xúc lực cắt (Fshear) lớn lực cản sinh vết
nhấp nhô chi tiết (FR) Khi bề mặt gia công mài phẳng lực cắt loại bỏ cụm hạt kết
dính bị chia tách trở trạng thái ban đầu chất lỏng tuân theo định luật Newton (hình 3.d) [10]
(4)
Hình 3: Cơ học q trình gia cơng
Do vậy, tính lưu động chất lỏng phi Newton tạo đĩa mài linh hoạt phù hợp với bề mặt cong khác Bề mặt cong phức tạp mài bóng thuận lợi với quy trình đơn giản Dung dịch mài kết dính đơng đặc gia cơng trở lại bình thường chất lỏng Newton lực cắt loại bỏ Vì vậy, đạt hiệu chất lượng mài bóng cao Hiệu phương pháp gia công phụ thuộc vào chuyển động tương đối chi tiết dung dịch đánh bóng để tạo q trình đơng đặc Do đó, gia cơng chất lỏng phi Newton trình bày nghiên cứu phương pháp mài tinh chi phí thấp, thân thiện với mơi trường Ngun lý q trình gia cơng thể hình
Hình 4: Nguyên lý trình gia công (c)
Vận tốc
Chiều sâu cắt
Phoi cắt
Vận tốc Các hạt bị chia tách
Phoi cắt
(d) Dung môi
Hạt tạo kết dính
Hạt mài
Chiều cao nhấp nhô
Bề mặt chi tiết gia công
Chiều quay
(a)
Vận tốc dịng chảy Hạt tạo kết dính
(b)
Vận tốc chuyển động dung dịch
Tinh thể dung dịch Cấu trúc hạt kết dính
Hạt mài Chi tiết
Vùng gia công
Vùng phân
bố lực
Cụm hạt kết dính
(5)3 MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
Nguyên lý hoạt động tiến trình thực nghiệm hình 5a 5b Mơ hình thực nghiệm cung cấp chuyển động tương đối chi tiết gia công dung dịch mài Chi tiết kẹp chặt trục điều khiển động bước Động trục lắp đặt trục Z, di chuyển theo chiều dọc trục Z trục vít dẫn Ngồi ra, trục Z lắp đặt trục X, chuyển động qua lại thực Chi tiết quay tròn tịnh tiến lên xuống theo phương Z q trình gia cơng
Dung dịch mài bóng bao gồm hạt mài chất kết dính khuấy trộn thành khối dung dịch Khối dung dịch chứa rãnh tròn điều khiển chuyển động quay tròn động đặt thiết bị Các thông số q trình gia cơng đường kính chi tiết, tốc độ quay của trục chính, đường kính đĩa mài, tốc độ quay đĩa mài liệt kê Bảng
Hình 5a: Nguyên lý hoạt động máy mài thực nghiệm
‘
Hình 5b: Mơ hình máy mài thực nghiệm Trục Z
Động trục
Trục
Chi tiết
Dung dịch mài Trục X
Đĩa mài
X
Z
Bát di chuyển theo phương X Bát di chuyển
theo phương Z
(6)Bảng 1: Thông số máy chi tiết gia công
Thông số Giá trị
Đường kính chi tiết (mm) 32 Tốc độ quay trục (vịng /phút) - 200 Đường kính đĩa mài (mm) 350 Tốc độ quay đĩa mài (vòng/phút) - 120
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt tốc độ cắt bỏ vật liệu bao gồm tốc độ gia công, nồng độ dung dịch mài kích thước hạt mài thiết lập nghiên cứu Hạt mài sử dụng trình thực nghiệm Al2O3 Chi tiết sử dụng thực nghiệm mặt cầu có đường kính 32
mm Các thơng số trình thực nghiệm trình bày bảng
Bảng 2: Thơng số q trình gia cơng
Thơng số Giá trị
Đường kính chi tiết (mm) 32
Hạt mài Al2O3
Đường kính hạt mài (µm) 3.5, 5, 7.5, 15 Nồng độ dung dịch mài (wt%) 10, 17, 23, 30 Tốc độ quay đĩa mài (vòng/phút) 20, 40, 60, 80 Tốc độ quay chi tiết (vòng/phút) 100
Thời gia gia công (giờ)
Trong trình thực nghiệm, lượng vật liệu cắt gọt q trình gia cơng đơn vị thời gian đo máy kiểm tra độ dầy tia lazer CMT -1100 (độ xác 0.1 µm) Mơ hình để thiết lập q trình đo lượng cắt gọt trình bày hình Lượng vật liệu cắt gọt tính tốn dựa kết đo điểm a, b, c, d, e f Chiều dài đường điểm đo đạc trước gia cơng sau gia cơng (tính từ mặt tham chiếu) tính tốn để suy lượng vật liệu cắt gọt đơn vị thời gian Còn độ nhám bề mặt sau gia công ứng với thông số khác tiến hành máy đo độ nhám SJ-310
Hình Mơ hình đo lượng cắt gọt
D O
2
a
X =0 b
c d e f
(7)4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
4.1 Ảnh hưởng tốc độ cắt
Quá trình thực nghiệm ảnh hưởng tốc độ đĩa mài đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt thực với hạt mài có đường kính hạt mài trung bình 7.5 µm nồng độ dung dịch hạt mài 23% Tốc độ đĩa mài thiết lập 20, 40, 60, 80 (vòng/phút) Kết ảnh hưởng tốc độ đĩa mài đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt hình hình
Hình 7: Mối quan hệ tốc độ cắt lượng vật liệu cắt gọt
Hình 8: Mối quan hệ tốc độ cắt độ nhám bề mặt
Kết thực nghiệm hình cho thấy rằng, với tốc độ cắt khác lượng vật liệu cắt gọt thay đổi Tốc độ cắt tăng lượng vật liệu loại bỏ tăng lên Khi tốc độ cắt tăng từ 20 (vịng/phút) đến tốc độ 80 (vịng/phút) tỷ lệ loại bỏ vật liệu theo thời gian tăng lên khoảng lần
Ở kết thực nghiệm hình 8, độ nhám bề mặt chi tiết giảm tăng tốc độ gia công thời gian gia công Độ nhám bề mặt giảm nhanh gia cơng đầu tiên, cịn sau độ nhám bề mặt có thay đổi tốc độ giảm tương đối Với tốc độ gia cơng 80 (vịng/phút) sau gia cơng độ nhám bề mặt đạt cao khoảng 13nm
4.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch mài
1 10 11 12
1
L ượ ng vật li ệu đư ợ c cắt gọt ( µ m /h)
Thời gian (h)
20 (vòng/phút) 40 (vòng/phút) 60(vòng/phút) 80 (vòng/phút) 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
Độ nh ám bề m ặt R a (n m)
Thời gian (h)
(8)Quá trình thực nghiệm ảnh hưởng nồng độ dung dịch mài đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt thực với hạt mài có đường kính hạt mài trung bình 7.5 µm tốc độ chuyển động đĩa mài 80 (vòng/phút) Nồng độ dung dịch mài thiết lập 10%, 17%, 23%, 30% Kết ảnh hưởng nồng độ dung dịch mài đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt hình hình 10
Hình 9: Mối quan hệ nồng độ dung dịch lượng vật liệu cắt gọt
Hình 10: Mối quan hệ nồng độ dung dịch mài độ nhám bề mặt
Kết thực nghiệm hình cho thấy rằng, với nồng độ dung dịch mài khác lượng vật liệu cắt gọt thay đổi Lượng vật liệu loại bỏ tăng lên tăng nồng độ dung dịch mài Lượng vật liệu loại bỏ đạt giá trị lớn 12.5 (µm/h) với nồng độ dung dịch mài 30% sau khoảng gia cơng
Với kết hình 10 cho thấy rằng, độ nhám bề mặt chi tiết giảm rõ rệt tương thích với thay đổi nồng độ dung dịch mài Độ nhám bề mặt giảm nhanh chóng gia công với nồng độ dung dịch mài 23 % 30 % Độ nhám bề mặt đạt giá trị tốt khoảng 14nm với nồng độ dung dịch mài 30 % Tuy nhiên, với nồng độ dung dịch mài 10 % độ nhám thay đổi theo thời gian gia cơng Điều có nghĩa là, nồng độ dung dịch thấp tỷ lệ hạt mài dung dịch ít, khả tạo ứng suất cắt, kết dính đơng đặc dung dịch giảm xuống Kết hiệu q trình mài vả chất lượng bề mặt gia cơng giảm xuống
4.3 Ảnh hưởng kích thước hạt mài
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
Độ nh ám b ề m ặt Ra (n m)
Thời gian (h)
10% 17% 23% 30% 10 12 14
1
Lượ ng vậ t liệ u đượ c cắt gọ t (µ m /h)
Thời gian (h)
10%
17%
23%
(9)Ảnh hưởng kích thước hạt mài đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt thực với dung dịch mài có nồng độ 23% tốc độ chuyển động đĩa mài 80 (vịng/phút) Kích thước hạt mài chọn thực nghiệm 3.5µm, 5µm, 7.5µm, 15µm Kết ảnh hưởng kích thước hạt mài đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt hình 11 hình 12
Hình 11: Mối quan hệ kích thước hạt mài lượng vật liệu cắt gọt
Kết thực nghiệm cho thấy lượng vật liệu cắt gọt giảm với việc tăng kích thước hạt mài Sau khoảng gia cơng lượng vật liệu cắt gọt giảm từ 13.5 (µm/h) xuống 5.6 (µm/h) với kích thước hạt mài khác từ 3.5 µm đến 15 µm Điều giải thích rằng, kích thước hạt mài tăng lượng hạt mài dung dịch tiếp xúc với bề mặt chi tiết gia công giảm xuống, dẫn đến lượng vậ liệu cắt gọt đơn vị thời gian giảm theo Cịn kích thước hạt mài nhỏ lượng hạt mài dung dịch tiếp xúc nhiều với bề mặt gia công nên lượng vật liệu cắt gọt tăng lên
Hình 12: Mối quan hệ kích thước hạt mài độ nhám bề mặt 10 12 14 16 18
1
Lượ n g vật liệ u đ ượ c c ắt gọ t (µg /h)
Thời gian (h)
3.5µm 5µm 7.5µm 15µm 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
Độ nh ám bề m ặt R a (n m)
Thời gian (h)
3.5µm
5µm
7.5µm
(10)Như kết hình 12, ảnh hưởng kích thước hạt mài đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công không đáng kể Độ nhám bề mặt giảm xuống nhanh chóng gia cơng Sau đó, độ nhám không thay đổi thời gian gia công tăng lên Độ nhám bề mặt đạt sau gia công khoảng từ 16 nm đến 21 nm với kích thước hạt mài từ 3.5 µm đến 15 µm Điều cho thấy rằng, kích thước hạt mài ảnh hưởng không đáng kể đến độ nhám bề mặt
Bề mặt chi tiết trước sau gia cơng thể hình 13
Hình 13: Bề mặt chi tiết: (a) trước gia công (b) sau gia công
5 KẾT LUẬN
Một phương pháp gia công mài tinh bề mặt cầu chất lỏng phi Newton nghiên cứu báo Đây phương pháp gia công đơn giản mà gia cơng mài tinh bề mặt cong phức tạp Dựa kết thực nghiệm ảnh hưởng tốc độ gia công, nồng độ dung dịch mài kích thước hạt mài đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt, rút số kết luận sau:
1 Tốc độ quay đĩa mài có ảnh hưởng lớn đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt Tốc độ quay tăng lượng vật liệu cắt gọt tăng lên chất lượng bề mặt tốt Với tốc độ quay đĩa mài 80 (vịng /phút) lượng vật liệu cắt gọt khoảng 11 µm/h độ nhám bề mặt Ra = 13 nm
2 Nồng độ dung dịch mài nhân tố quan trọng định đến lượng vật liệu cắt gọt độ nhám bề mặt chi tiết gia công Khi nồng độ dung dịch tăng hiệu cắt gọt chất lượng bề mặt tốt Tuy nhiên, nồng độ dung dịch lớn ứng suất cắt lại không tăng theo hiệu gia công khơng đạt
3 Kích thước hạt mài không ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng Kích thước hạt mài giảm lượng vật liệu cắt gọt tăng lên Do kích thước giảm thi tỷ lệ tiếp xúc hạt mài lên bề mặt gia công tăng lên làm lượng vật liệu cắt gọt đồng nghĩa tăng theo
Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ quỹ nghiên cứu khoa học cấp sở trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM (mã số đề tài: IUH.KCK 02/2016)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 X Zhang, B Kuhlenk Otter, K Kneupner, An efficient method for solving the signorini problem in the simulation of freeform surfaces produced by belt grinding, Int J Mach Tools Manuf., vol 46, no 1, pp 641–648, 2005
2 D.W Kim, J H Burge, Rigid conformal polishing tool using non-linear visco - elastic effect, Opt Express, vol 18, no 3, pp 2242–2257, 2010
(11)3 S.Y Zeng, L Blunt, Experimental investigation and analytical modelling of the effects of process parameters on material removal rate for bonnet polishing of cobalt chrome alloy, Precision Engineering, vol 38, no 2, pp 348–355, 2014
4 H Tsuwa, N Ikawa,Y Mori, Numerically controlled elastic emission machine, CIRP Ann – Manuf Technol., vol 28, no 1, pp 193–197, 1979
5 J.M Steigerwald, S.P Murarka, R.J Gutmann, Chemical Mechanical Planarization of Microelectronic Materials, A Wiley – Interscience Publication John Wiley & Sons ,Inc., NewYork, 1996
6 J Watanabe, J Suzuki, A Kobayashi, High precision polishing of semi-conductor materials using hydrodynamic principle, CIRP Ann – Manuf Technol., vol 30, no 1, pp 91–95, 1981
7 Y Tani, K Kawata, K Nakayama, Development of high - efficient fine finishing process using magnetic fluid, CIRP Ann – Manuf Technol., vol 33, no 1, pp 217–220, 1984
8 A.B Shorey, K.M Kwong, K.M Johnson, S.D.Jacobs, Nanoindentation hardness of particles used in magnetorheological finishing (MRF), Appl.Opt.,vol 39, no 28, pp 5194 –5204, 2000
9 N.J Wagner, J.F Brady Shear thickening in colloidal dispersions, Phys.Today., vol 62, no 10, pp 27–32, 2009
10 M Li, B.H Lyu, J.L Yuan, C.C Dong, W Dai, Shear thickening polishing method, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol 94, no 1, pp 88–99, 2015