Trong công trình này, một kỹ thuật đánh bóng mới kết hợp với một phương pháp đánh giá mới nhằm xác định các nhân tố tác động đến chất lượng khi đánh bóng bề mặt vật liệu từ tính đã được đề suất. Để thực hiện công việc này, các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình đánh bóng vật liệu từ tính được xác định thông qua khảo sát sự phân bố của các hạt từ tính MIGs và các hạt mài AGs tới bề mặt làm việc của hỗn hợp bùn lỏng từ tính (MLS).
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Một nghiên cứu nhằm đánh bóng bề mặt thép 20CrNi2Mo phủ Ni-P A new study for polishing the surface of Ni-P coated 20CrNi2Mo steel Phùng Xuân Sơn*, Nguyễn Duy Trinh, Nguyễn Nhật Tân Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội * Email: phungxuanson@gmail.com Mobile: 0912548656 Tóm tắt Từ khóa: Hỗn hợp bùn lỏng từ tính; Hạt mài; Hạt từ tính; Đánh bóng Trong cơng trình này, kỹ thuật đánh bóng kết hợp với phương pháp đánh giá nhằm xác định nhân tố tác động đến chất lượng đánh bóng bề mặt vật liệu từ tính đề suất Để thực công việc này, nhân tố ảnh hưởng tới trình đánh bóng vật liệu từ tính xác định thông qua khảo sát phân bố hạt từ tính MIGs hạt mài AGs tới bề mặt làm việc hỗn hợp bùn lỏng từ tính (MLS) Các mẫu hỗn hợp bùn từ tính MLS có chứa MIGs AGs với đường kính khác khoảng cách làm việc khác sử dụng để đánh bóng mẫu thép 20CrNi2Mo phủ Ni-P theo thiết kế thí nghiệm Taguchi Abstract Keywords: Magnetic liquid slurry; Magnetic iron grains; Abrasive grains; Polishing In this work, a new polishing technique combines with a new evaluation method to determine the factors that effect to quality when polishing the magnetic material surface has been proposed To this work, the factors influencing the magnetic material polishing process are determined by investigating the distribution of magnetic iron grains (MIGs) and abrasive grains (AGs) to the working surface of magnetic liquid slurry (MLS) MLS patterns containing MIGs and AGs with different diameters and different working distances were used to polish Ni-P coated 20CrNi2Mo steel according to the Taguchi experiment design Ngày nhận bài: 10/8/2018 Ngày nhận sửa: 10/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong trình sản xuất, vật liệu từ tính, đặc biệt thép 20CrNi2Mo mạ Niken - Phốt trở nên phổ biến hầu hết lĩnh vực như: nhựa, hóa chất, điện tử, ô tô, hàng không vũ trụ, công nhiệp khuôn mẫu, lớp mạ tạo với khả chịu mài mòn, chống ăn mòn tuyệt vời, với độ cứng cao [1, 2] Trong đặc biệt hữu ích khn dập, khn phun kim loại với khả thời gian làm việc cải thiện đáng kể, qua HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu kinh tế [3-4] Trước chi tiết khuôn phủ Niken - Phốt thường gia cơng q trình mài [5-8] Tuy nhiên với trình mài hạt mài kim cương đơn tinh thể chất lượng bề mặt gia công thấp Do đó, cần phải có q trình đánh bóng khn nhằm loại bỏ sai số in dập gây dụng cụ cắt gây tạo độ nhám bề mặt gia công đạt đến cấp độ nano mét Các quy trình đánh bóng thơng thường có khả cải thiện chất lượng bề mặt gia công, nhiên với trình hạt mài với độ cứng lớn có xu hướng cào xước, găm vào bề mặt gia công áp lực lớn với vật liệu gia công mềm, nên làm giảm chất lượng bề mặt [9, 10] Từ nhận thấy khó tạo bề mặt lớp phủ Ni-P với độ bóng độ xác cao q trình đánh bóng thơng thường Do đó, để cải thiện chất lượng bề mặt cần phát triển phương pháp đánh bóng mới, nhằm loại bỏ lượng dư vật liệu hiệu đồng thời ngăn ngừa sai số in dập dụng cụ cắt hạt mài bị găm bề mặt gia công q trình đánh bóng gây Một phương pháp gia cơng cho độ bóng độ xác bề mặt đầy hứa hẹn q trình đánh bóng hỗ trợ từ trường thực cơng việc NGUN LÝ ĐÁNH BĨNG BỀ MẶT SỬ DỤNG MLS Nguyên tắc đánh bóng sử dụng MLS minh họa hình Một nam châm vĩnh cửu hình đĩa gắn vào mặt đĩa quay với khoảng cách lệch tâm R Một nhôm mang vữa MCF nằm bên nam châm cách nam châm khoảng H Trong trình đánh bóng nam châm trục quay động có tốc độ quay n2 Với phương pháp này, từ trường động tạo ra, mật độ từ thơng khơng đổi dịng lực từ liên tục xoay quanh trục quay động Khi hình thành nên loại từ trường gọi từ trường quay Phôi đặt bên màng chứa vữa MCF cách bề mặt làm việc với khoảng cách K Lúc thiết lập MLS sử dụng cho q trình đánh bóng thiết lập Khi khoảng cách phôi mang vữa MCF thiết lập Dưới tác dụng từ trường cụm cảm ứng từ hình chuỗi hình thành hạt từ tính có kích thước nanoneter Tại thời điểm MIGs có kích thước micromet hình thành theo phương đường lực cảm ứng từ Các hạt mài khơng từ tính AGs tác dụng cụm MIGs kết hợp với sợi xenlulose có MLS q trình hoạt động chúng đan xen vào Thêm vào đó, tất cụm hình thành bị hút lực từ trường tập trung khu vực có từ trường mạnh Lúc này, tác dụng vùng từ trường, hạt mài khơng từ tính chịu tác động lực trọng trường bị lực kéo tác động lên [34] Dưới tác động kết hợp hai thành phần lực này, phần lớn AGs không từ tính lớp vữa MCF di chuyển xuống bề mặt gia công đồng thời tạo lực tác động lên bề mặt phôi gia công Khi đĩa nhôm mang vữa MCF quay với tốc độ n1 cụm từ bị hút vào bề mặt đĩa, đĩa quay truyền chuyển động quay tới AGs Dưới tác dụng lực ma sát tạo phôi AGs, lúc lượng dư gia công nhỏ loại bỏ hạt mài AGs kích thước micromet HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Ngun lý đánh bóng sử dụng MLS THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM THEO PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI Thiết kế thí nghiệm Taguchi phương pháp sử dụng phổ biến trình khảo sát nhân tố tác động, bao gồm nhiều yếu tố nhiều mức [9] Nó áp dụng thành cơng cho nhiều lĩnh vực khác với mục đích tiết kiệm lượng thời gian lớn để có nhóm đối tượng tối ưu [10, 11] Chìa khóa phương pháp tạo bảng thiết kế trực giao dựa yếu tố mức tác động điều tra Phương pháp giúp chúng tác giả chọn trường hợp đại diện để giảm số lượng thử nghiệm Trong công việc này, số lượng yếu tố điều tra bốn có cấp độ tác động khác nhau, thiết kế thực nghiệm thiết lập theo Taguchi cần thiết nhằm giảm số lượng trường hợp thử nghiệm Phôi chi tiết sử dụng q trình đánh bóng MLS mơ tả bảng Bảng Các thông số vật liệu sử dụng nghiên cứu đánh bóng Mơ tả Nam châm Tấm đỡ hồ vữa MLS Vữa đánh bóng Phơi gia cơng từ tính Phơi khơng từ tính Thép 20CrNi2Mo phủ Ni-P Vật liệu Nd-Fe Al Hồ vữa MLS Nickel Đồng Kích thước 16 x 10 mm 16 x 10 mm 16 x 10 mm 16 x 10 mm Tính thấm tương đối 1,09977 600 Độ lớn (A/m) -890000 Các yếu tố khảo sát trình đánh bóng gồm: kích thước MIGs, khoảng cách làm việc K, kích thước hạt mài AGs, thể bảng Bảng Thông số đánh bóng Cấp độ Kích thước MIGs ML (dCL = µm) MM (dCM = µm) MS (dCS = µm) Kích thước AGs dAL = µm dAS = 0.3 µm Khoảng cách đánh bóng K1 = mm K2 = mm K3 = mm HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Sự phân bố MIGs AGs bề mặt làm việc MLS nghiên cứu kính hiển vi điện tử thiết bị phân tích EDX Thiết lập thí nghiệm thể hình Hệ thống đánh bóng bao gồm nam châm vĩnh cửu, đĩa mang MCF hai động với hệ thống truyền động đai thể sơ đồ hình 1, gắn thiết bị truyền động theo phương z máy đánh bóng hình Trong thiết bị đánh bóng, nam châm vĩnh cửu dạng đĩa có cường độ từ trường 0,45T đặt độ lệch tâm quay với bán kính R = 4,5 mm (được thể hình 1) Động thứ tạo chuyển động quay cho đĩa mang MCF thông qua truyền đai đai Động thứ hai truyền chuyển động quay cho nam châm thông qua khớp nối Đĩa mang MCF làm vật liệu nhơm khơng từ tính thể bảng có khe hở H = mm để bảo bảo khơng có tiếp xúc nam châm đĩa mang MCF (như thể hình 1) Quá trình nhằm trì từ trường tác động lên vữa MCF mạnh Đối với phơi gia cơng, thép SKD11 dạng trụ kích thước 16 mm với lớp bề mặt phủ lớp mạ Ni-P mạ điện dày mm sử dụng Hình Ảnh thiết lập thí nghiệm đánh bóng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các tiến trình thực nghiệm tiến hành với phơi đánh bóng từ tính (Ni) phân tích hình ảnh SEM EDX cho kết hình 3, Từ kết phân tích nhận thấy ảnh hưởng đường kính MIGs tới tỉ lệ AGs (thơng qua phần trăm phân tử Al) MIGs (thông qua phần trăm Fe) với vật liệu gia cơng từ tính (Ni) vị trí khác thu thập hình Qua kết phân tích nhận thấy: Với hỗn hợp đánh bóng MLS1, MLS2, MLS2 (tương ứng với đường kính MIGs tăng dần), hàm lượng nguyên tử Al bề mặt đánh bóng tăng lên, hàm lượng nguyên tử Fe giảm Tỉ lệ phân bố Al Fe tăng lên khoảng cách đánh bóng K lớn Cũng cần ý tỉ lệ phần trăm Al nhỏ 25% đường kính MIGs khoảng cách làm việc vật liệu từ tính sử dụng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 làm phôi gia công Tỉ lệ phần trăm Al cao khoảng cách làm việc lớn với MLS1, chứa MIGs với đường kính khảo sát lớn Hình Hình ảnh SEM bề mặt làm việc MLS với phơi gia cơng từ tính Hình Nhơm phân bố bề mặt làm việc MLS với phơi gia cơng từ tính HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Sắt phân bố bề mặt làm việc MCF với phôi gia cơng từ tính Tỉ lệ phần trăm Al phân bố bề mặt đánh bóng MLS4 với vật liệu từ tính vị trí khác so với MLS2 hai hỗn hợp đánh bóng có tỉ lệ đường kính kính MIGs/đường kính AGs kích thước hạt khác nhau, biểu diễn hình Xét mặt lý thuyết, số lượng AGs tham gia vào trình đánh bóng nhiều tỉ lệ loại bỏ lượng dư vật liệu gia công cao bề mặt làm việc tốt so với số lượng AGs tham gia vào q trình đánh bóng; có nghĩa là, bề mặt tốt thu khoảng cách đánh bóng K lớn thể hình Hình Tỷ lệ phần trăm phần tử Al Fe phân bố bề mặt làm việc từ tính HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tuy nhiên cơng trình trước [12] chứng minh việc tăng khoảng cách làm việc làm giảm lực đánh bóng, cuối giảm tốc độ loại bỏ vật liệu hạn chế cải thiện chất lượng bề mặt việc đánh bóng MCF phơi gia cơng khơng từ tính Điều muốn nói lên hiệu suất vữa MCF q trình đánh bóng vật liệu từ tính phụ thuộc vào hai yếu tố: Khoảng cách làm việc số lượng AGs hoạt động tác động lên bề mặt đánh bóng Từ kết thực nghiệm phân tích cho thấy bề mặt trước đánh bóng sau dánh bóng 60 phút khoảng cách K = mm với MLS1-MLS4 thể hình Rõ ràng ban đầu bề mặt thô Ra = 40 nm làm mịn đáng kể Ra < 22 nm sau đánh bóng loại vữa MLS Tuy nhiên kết cấu độ nhám bề mặt làm việc khác với loại vữa MLS khác nhau; bề mặt làm việc có độ nhẵn cao đạt với MLS1 tương ứng cho Ra = 3,6 nm Nhìn chung, với loại hỗn hợp MLS tham gia vào trình đánh bóng cho độ nhám bề mặt làm việc lớp mạ Ni-P giảm, nhiên tỉ lệ giảm độ nhám bề mặt khác với MLS khác tương ứng với vị trí làm việc khác So sánh độ nhám trước sau đánh bóng hầu hết trường hợp nhận thấy bề mặt đánh bóng có chất lượng tốt trước đánh bóng Mặc dù đề cập số lượng AGs hoạt động giảm khoảng cách K giảm, cho giảm khả loại bỏ vật liệu bề mặt gia công thấp Tuy nhiên kết nhận thấy hình 7, với khoảng cách K nhỏ cho chất lượng bề mặt cao Nguyên nhân xảy với khoảng cách làm việc nhỏ cho lực đánh bóng cao hơn, làm tăng đáng kể khả đánh bóng cho MLS 50 Trước đánh bóng Sau đánh bóng Nhỏm b mt Ra (nm) 40 30 20 10 K=1 K=2 K=3 K=1 K=2 K=3 MLS1 MLS2 K=1 K=2 K=3 K=1 K=2 K=3 MLS3 MLS4 Hình Độ nhám bề mặt ban đầu cuối sau q trình đánh bóng cách sử dụng lại vữa MLS khác vị trí làm việc khác Như hình cho thấy chất lượng bề mặt đánh bóng giảm theo trình tự sau: MLS1 > MLS2 > MLS3 > MLS4 Xem xét tỉ lệ đường kính CIP đến đường kính AP giảm từ MLS1 xuống cịn với MLS2 xa với MLS3, không gian lưu trú AGs mở rộng theo thứ tự MLS1 > MLS2 > MLS3; dẫn đến tăng số lượng AGs hoạt động theo thứ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 tự MLS1 > MLS2 > MLS3 Đây lý độ nhám giảm theo thứ tự MLS1 > MLS2 > MLS3 Tuy nhiên với MLS2 MLS4 có tỉ lệ đường kính MIGs/đường kính AGs gần giống tỉ lệ phần trăm Al bề mặt đánh bóng gần tương đương (hình 6), nhiên độ nhẵn bề mặt với MLS4 thấp nhiều so với MLS2 Nguyên nhân lực tác động lên MIGs MLS2 lớn nhiều so với tác động lên MIGs MLS4 dẫn đến áp lực lên AP tăng lên, khả loại bỏ vật liệu cải thiện đáng kể Như từ q trình phân tích ảnh hưởng vữa MLS với khoảng cách đánh bóng K khác q trình đánh bóng với phơi gia cơng từ tính, cho thấy MLS chứa CL có đường kính MIGs µm đường kính AGs µm nên sử dụng với khoảng cách đánh bóng K = mm nên thiết lập để thực hoàn thiện bề mặt gương thép 20CrNi2Mo mạ Ni-P sử dụng vữa MLS dựa MIGs KẾT LUẬN Các thí nghiệm đánh bóng thực phơi từ tính, mẫu thép 20CrNi2Mo mạ Ni-P, sử dụng MLS chứa MIGs hạt mài AGs với đường kính khác với khoảng cách K khác để tìm phân bố hạt mài bề mặt đánh bóng Các kết luận tóm tắt sau: Hỗn hợp MLS có chứa CS đường kính MIGs µm đường kính AGs µm nên sử dụng khoảng cách làm việc K = mm phải thiết lập để thực hoàn thiện bề mặt gương thép 20CrNi2Mo với lớp mạ Ni-P cách sử dụng CIP thông thường dựa vữa MLS Trong điều kiện thí nghiệm cơng trình này, chất lượng bề mặt mạ Ni-P cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt gương Ra = 3,6 nm đạt thành công mà không để lại vết trầy xước hạt mài bám dính với vữa MCF bề mặt gia công Các kết chứng minh việc sử dụng vữa MCF chứa MIGs thương mại phương pháp thực tế để tạo bề mặt gia cơng có độ xác nano cho phơi từ đường kính MIGs lớn đường kính AGs Đánh bóng hỗn hợp MLS có tiềm lớn ứng dụng cơng nghệ, chi phí hiệu suất so với MLS đắt tiền có chứa MIGs phủ ZrO2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S De Cristofaro, N Funaro, G.C Feriti, M Rostagno, M Comoglio, A Merlo, C Stefanini, P Dario, High-speed micro-milling: Novel coatings for tool wear reduction, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 63 (2012) 16-20 [2] F.C Tsai, B.H Yan, C.Y Kuan, F.Y Huang, A Taguchi and experimental investigation into the optimal processing conditions for the abrasive jet polishing of SKD61 mold steel, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48 (2008) 932-945 [3] J Gäbler, S Pleger, Precision and micro CVD diamond-coated grinding tools, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 50 (2010) 420-424 [4] C Kuo, Y Hsu, C Chung, C.-C.A Chen, Multiple criteria optimisation in coated abrasive grinding of titanium alloy using minimum quantity lubrication, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 115 (2017) 47-59 [5] N Chen, J Ai, Y Chen, P He, J Ren, D Ji, Multilayer strategy and mechanical grinding for smoothing CVD diamond coated defective substrate, Materials & Design, 103 (2016) 194-200 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 [6] M Li, B Lyu, J Yuan, W Yao, F Zhou, M Zhong, Evolution and equivalent control law of surface roughness in shear-thickening polishing, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 108 (2016) 113-126 [7] E.-S Lee, J.-W Cha, S.-H Kim, Evaluation of the wafer polishing pad capacity and lifetime in the machining of reliable elevations, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 66 (2013) 82-94 [8] F Chen, S Hao, X Miao, S Yin, S Huang, Numerical and experimental study on low-pressure abrasive flow polishing of rectangular microgroove, Powder Technology, 327 (2018) 215-222 [9] G.S Prihandana, M Mahardika, M Hamdi, Y.S Wong, K Mitsui, Effect of micropowder suspension and ultrasonic vibration of dielectric fluid in micro-EDM processes-Taguchi approach, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 49 (2009) 1035-1041 [10] C.-W Chang, C.-P Kuo, Evaluation of surface roughness in laser-assisted machining of aluminum oxide ceramics with Taguchi method, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47 (2007) 141-147 [11] M Vijay Kumar, B.J Kiran Kumar, N Rudresha, Optimization of Machining Parameters in CNC Turning of Stainless Steel (EN19) By TAGUCHI’S Orthogonal Array Experiments, Materials Today: Proceedings, (2018) 11395-11407 [12] M.S Niranjan, K.P Singh, Q Murtaza, Characterization of magnetic abrasive particles based Magnetorheological polishing fluid, Materials Today: Proceedings, (2017) 752-757 ... cơng cho độ bóng độ xác bề mặt đầy hứa hẹn q trình đánh bóng hỗ trợ từ trường thực công việc NGUYÊN LÝ ĐÁNH BÓNG BỀ MẶT SỬ DỤNG MLS Nguyên tắc đánh bóng sử dụng MLS minh họa hình Một nam châm... lượng bề mặt cần phát triển phương pháp đánh bóng mới, nhằm loại bỏ lượng dư vật liệu hiệu đồng thời ngăn ngừa sai số in dập dụng cụ cắt hạt mài bị găm bề mặt gia cơng q trình đánh bóng gây Một. .. xước, găm vào bề mặt gia công áp lực lớn với vật liệu gia công mềm, nên làm giảm chất lượng bề mặt [9, 10] Từ nhận thấy khó tạo bề mặt lớp phủ Ni-P với độ bóng độ xác cao q trình đánh bóng thơng