Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài tròn

Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài tròn

các kí hiệu chính

Cct Mật độ lỡi cắt tĩnh trên một đơn vị thể tích đá 1/mm3

Danh mục các bảng biểu

2 1.2 Thể tích hạt mài phân bố theo cấp cấu trúc 22

7 4.3 Phơng trình mòn theo thời gian tại các điểm thí nghiệm 1048 4.4 Tuổi bền của đá tại các điểm thí nghiệm 1049 4.5 Bảng Logarit của các biến thực nghiệm 10510 4.6 Giá trị tính toán của các biến hồi quy thực nghiệm 10611 4.7 Số liệu xử lý kết quả đo tại thời điểm  = 1 phút 10812 4.8 Giá trị hồi quy thực nghiệm của phơng trình hàm 4.19 11113 4.9 Giá trị hồi quy thực nghiệm của phơng trình hàm 4.20 111

14 4.10 Giá trị hồi quy thực nghiệm của phơng trình hàm 4.21 11215 4.11 Hệ số lực cắt Py/Pz ứng với chế độ công nghệ mài theo

6 1.6 Sơ đồ tính toán quỹ đạo cắt của hạt mài 287 1.7 Chiều dài cung tiếp xúc của các phơng pháp mài 30

14 1.14 Hạt mài khi cắt chịu lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến 42

17 2.2 Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ công nghệ 5918 2.3 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và tốc độ mài 6219 2.4 Độ nhấp nhô tế vi bề mặt phụ thuộc vào độ hạt 6620 2.5 Sơ đồ hình thành sóng trên bề mặt đá mài 6921 2.6 Sơ đồ tạo ra sự không đồng nhất có quy luật của nhám

22 2.7 Sự thay đổi chiều cao nhám ở đỉnh sóng 6923 2.8 Biểu đồ biên dạng nhám bề mặt đá đợc mô tả trên các

25 2.10 Mối quan hệ giữa mòn đá và tốc độ mòn đá 72

27 2.12 Topography của bề mặt đá và biên dạng 2D của bề mặt 78

29 3.2 Mẫu phôi thí nghiệm 82

32 3.5 Cấu trúc thân cảm biến và phần tử biến dạng 8433 3.6 Sơ đồ chức năng bộ chuyển đổi tơng tự – Số (ADC) 8534 3.7 Kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến dạng sử dụng

35 3.8 Tính toán độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến đo

lực theo phơng Y sử dụng phần mềm Transcalc1.11 8736 3.9 Kiểm nghiệm độ nhạy của cảm biến theo phơng Y 8837 3.10 Tính toán độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến đo

lực theo phơng Z sử dụng phần mềm Transcalc1.11 8838 3.11 Kiểm nghiệm độ nhạy của cảm biến theo phơng Z 8939 3.12 Mạch cầu điện trở với 4 tem vừa đo vừa tự bù trừ nhiệt 90

41 3.14 Sơ đồ chức năng thiết bị thu thập tín hiệu từ cảm biến 9142 3.15 Hệ thống đo lực ghi dữ liệu tự động trên máy tính 9243 3.16 ảnh hệ thống đo lực trên máy mài tròn ngoài 9344 3.17 Kết quả thí nghiệm đo lực khi mài một hành trình trên

45 3.18 Sơ đồ nguyên lý đo mòn bằng đầu đo laze trên máy

46 3.19 Đầu thu phát tín hiệu Laze LD-ZX30V và bộ khuyếch

48 3.21 ảnh thiết bị đo mòn trên máy mài tròn ngoài 99

50 4.2 Đồ thị quan hệ tuổi bền với chế độ công nghệ mài 10751 4.3 Đồ thị quan hệ lực cắt Py với chế độ công nghệ mài, tại

52 4.4 Đồ thị quan hệ lực cắt Pz với chế độ công nghệ mài,

53 4.5 Đồ thị quan hệ độ nhám Ra với chế độ công nghệ mài,

54 4.6 Đồ thị hệ số lực cắt Py/Pz thay đổi theo thời gian mài

với các chế độ công nghệ mài khác nhau 117

Mở đầu

Nh chúng ta đều biết, hiện nay trong bối cảnh cạnh tranh toàn cầu, mỗidoanh nghiệp muốn tồn tại và phát triển cần phải đảm bảo 3 yếu tố: Sản phẩmchất lợng cao, giá thành hạ và đáp ứng nhanh nhu cầu của khách hàng Độnglực của sản xuất luôn thay đổi theo từng thời kỳ: từ những năm thập kỷ 70-80của thế kỷ 20 là năng suất lao động, từ thập kỷ 80-90 là chất lợng sản phẩm,từ thập kỷ 90-2000 là giá thành của sản phẩm và những năm đầu tiên của thếkỷ 21 là khả năng đáp ứng nhanh nhu cầu của thị trờng.

Mặc dù thay đổi theo thời gian nhng yếu tố chất lợng sản phẩm vẫn làthen chốt cho mọi thời kỳ Chất lợng sản phẩm chế tạo máy phụ thuộc nhiềuvào các nguyên công gia công tinh mà trong đó mài là công nghệ chủ lực Màilà một phơng pháp gia công có vị trí rất quan trọng trong gia công cơ khí đặcbiệt là cơ khí chính xác, bởi vì mài tạo ra đợc các chi tiết máy có độ chính xáccao, chất lợng bề mặt cao, gia công đợc các loại vật liệu có cơ tính cao (độ bềncao, độ cứng cao v v ) Mài không những áp dụng để gia công lần cuối cácloại chi tiết máy mà còn áp dụng để gia công thô, trong đó nhiều trờng hợp bềmặt mài đợc thực hiện mà không qua các bớc gia công trung gian ở các nớccông nghiệp phát triển việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mài định hình,mài chép hình, mài chính xác, mài siêu chính xác vào sản xuất đợc sử dụngdụng rất rộng rãi và không thể thiếu đợc trong ngành gia công cơ khí.

Nâng cao chất lợng bề mặt chi tiết gia công là một trong những vấn đềrất quan trọng của ngành công nghệ chế tạo máy nhằm tạo ra các sản phẩm,máy móc thiết bị đạt độ chính xác cao, tuổi bền cao đảm bảo các hiệu quả vềkinh tế và kỹ thuật Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp công nghệ vàphơng pháp gia công tinh lần cuối các bề mặt chi tiết máy, đồng thời tìm ranhững biện pháp công nghệ mới hoàn thiện hơn là một nhiệm vụ cấp bách Chất lợng sản phẩm khi mài sẽ nh thế nào khi mà công nghệ tự động hoá,công nghệ tin học, công nghệ vật liệu phát triển nh vũ bão,sự phát triển cácngành công nghệ này ảnh hởng rất lớn đến việc đảm bảo chất lợng sản phẩmkhi mài Trớc kia khi mài xong mới biết kết quả nhng ngày nay ngời ta có thểdự đoán, dự báo và thậm chí điều khiển các thông số công nghệ để tạo đợc cáckết quả mài mong muốn Hiện nay, do xu thế hội nhập khu vực và thế giới các

sản phẩm cơ khí Việt Nam cũng phải vơn lên đạt các chỉ tiêu chất lợng củakhu vực và quốc tế, vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng kết quả của công nghệmài để góp phần nâng cao chất lợng các sản phẩm cơ khí là vấn đề cấp thiết Để có thể giải quyết vấn đề cho việc đảm bảo chất lợng sản phẩm khi

mài, đề tài luận án Nghiên cứu ảnh h“Nghiên cứu ảnh h ởng của một số yếu tố công nghệ đếnchất lợng bề mặt của chi tiết khi mài tròn ngoài ” nghiên cứu ảnh hởng củacác thông số công nghệ đến chất lợng bề mặt của chi tiết mài, nghiên cứu sựmòn của đá mài, lực mài Đây là những yếu tố rất cần thiết là tiền đề để chúngta có thể dựa vào sự mòn đá, lực mài để điểu khiển thích nghi quá trình màiđạt đợc chất lợng cần thiết

Mục đích của đề tài: Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số công nghệ

(sd,t) và quá trình mòn của đá mài đến nhám bề mặt của chi tiết gia công trênmáy mài tròn ngoài Xây dựng mối quan hệ hàm số giữa chế độ cắt (sd,t) vớiđộ nhám bề mặt của chi tiết gia công, lực mài và tuổi bền của đá mài khi màitròn ngoài.

Nội dung nghiên cứu:

+ Nghiên cứu tổng quan về mài: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mài vànhững vấn đề cơ bản của công nghệ mài; ảnh hởng của các yếu tố công nghệ,quá trình mòn của đá mài đến chất lợng bề mặt chi tiết gia công trên máy màitròn ngoài.

+ Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu ảnh hởng đồng thời của 2 thôngsố công nghệ chiều sâu cắt t và lợng chạy dao dọc sd tới chất lợng bề mặt củachi tiết gia công theo thời gian mài.

Đối tợng nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số công nghệ

(sd, t) và quá trình mòn của đá đến độ nhám bề mặt khi gia công thép 45 saunhiệt luyện bằng đá mài зK25CM2x305x50x127 trên máy mài tròn ngoài.

Phơng pháp nghiên cứu: nghiên cứu tổng quan các tài liệu, nghiên cứu lý

thuyết kết hợp với thực nghiệm, nghiên cứu và xử lý các kết quả thí nghiệmbằng các thiết bị đo hiện đại và các phần mềm chuyên dụng

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

+ Dùng nghiên cứu thực nghiệm để làm sáng tỏ các quy luật cơ lý của quátrình mài, góp phần xây dựng cơ sở lý thuyết về mài.

+ Đánh giá đợc ảnh hởng của các yếu tố công nghệ đến chất lợng bề mặtchi tiết gia công khi mài tròn ngoài, bằng các điều kiện công nghệ cụ thể Xâydựng đợc mối quan hệ toán học về các yếu tố của chất lợng bề mặt với cácthông số công nghệ gia công.

+ Việc thiết kế, tính toán và kiểm nghiệm thiết bị đo sử dụng các kỹ thuậttiên tiến, các phần mềm chuyên dụng, do đó hệ thống thí nghiệm làm việc ổnđịnh và độ tin cậy cao.

+ Kết quả nghiên cứu đợc dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy,nghiên cứu, ứng dụng sản xuất và cở sở lý thuyết cho các nghiên cứu tiếptheo

Nội dung luận án: Kết cấu của luận án gồm 4 chơng và phần kết luận chung:

Chơng 1 Giới thiệu tổng quan tài liệu về quá trình mài

Chơng 2 ảnh hởng của các yếu tố công nghệ tới chất lợng bề mặt chi tiết khi

mài

Chơng 3 Xây dựng hệ thống thí nghiệm

Chơng 4 Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý kết quả.

Quá trình thực hiện đề tài, mặc dù đã có sự cố gắng rất cao nhng dođiều kiện nghiên cứu và khả năng còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu khôngthể tránh khỏi các thiếu sót Rất mong nhận đợc ý kiến đóng góp của cácThầy, Cô và các đồng nghiệp.

Tác giả

Trần Đức Quý

Chơng1 giới thiệu tổng quan về quá trình mài1.1 Cơ sở quá trình mài

1.1.1 Đặc điểm, mô hình quá trình mài* Đặc điểm:

Mài là một phơng pháp gia công cắt gọt tốc độ cao với một số lợng lớncác lỡi cắt rất bé của hạt mài đồng thời tham gia cắt gọt So với các phơngpháp cắt gọt bằng các dụng cụ cắt có lỡi cắt xác định thì mài có một số đặcđiểm sau:

- Mài là quá trình cắt tế vi và cào xớc ở tốc độ cao của các hạt mài trên bề mặtvật gia công tạo ra nhiều phoi vụn Tốc độ cắt khi mài rất cao, thông thờngVcắt = 30-35 m/s có trờng hợp đến 100 m/s

- Độ chính xác kinh tế đạt đợc khi mài thông thờng là:

- Độ cứng của hạt mài cao, do đó có thể cắt đợc những vật liệu cứng mà cácloại dụng cụ cắt khác không cắt đợc nh: Thép đã tôi, hợp kim cứng

- Do nhiều hạt mài cùng tham gia cắt gọt cùng một lúc, do góc trớc (<0) vàdo vận tốc cắt rất lớn nên nhiệt cắt khi mài rất lớn, nhiệt độ vùng cắt có thể lêntới 1000-15000c, gây cháy phoi, sinh tia lửa [4], [89].

- Quá trình cắt khi mài có tính gián đoạn, các hạt mài lần lợt vào cắt, ra cắt tạora các rung động.

- Các đỉnh lỡi cắt phân bố không đều theo chiều cao, lợng d phân bố cho cáchạt mài không đều, do đó lực cắt tác động lên các hạt mài không bằng nhau.

Nếu lực cắt quá lớn sẽ có hiện tợng hạt mài bị vỡ (tạo ra các lỡi cắtmới) hay bị bong ra khỏi bề mặt làm việc của đá và xuất hiện lỡi cắt của cáchạt mài mới tạo ra khả năng tự mài sắc của đá mài.

Mài đợc sử dụng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy Trong tổng sốmáy công cụ, máy mài chiếm tới 30%, còn trong một số ngành đặc biệt nhchế tạo vòng bi máy mài chiếm đến 60% [4], [89].

Mài không những đợc sử dụng gia công tinh lần cuối mà còn đợc sửdụng ngày càng rộng rãi ở các nguyên công gia công thô.

Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những đòi hỏivề độ chính xác và chất lợng gia công ngày một cao thì mài càng đợc quantâm nghiên cứu và đợc sử dụng rộng rãi hơn.

Hình 1.2 : Mô hình quá trình mài tròn ngoài tiến dao dọc

Đại lợng vào

máy: - Sơ đồ cắt khi mài

- Độ cứng vững của HTCNPhôi: -Vật liệu

- Kích thớc, hình dáng hình họcđá mài:- Cấu trúc đá, độ cứng, độ hạt

- Vật liệu hạt mài - Vật liệu chất kết dính - Topography của đáChế độ công nghệ :

- Vđ , Vct ; Chiều sâu cắt t

-Lợng chạy dao dọc Sd

Chế độ trơn nguội:-Thành phần dung dịch -Lu lợng, áp lực tới-Phơng pháp tới

Chế độ sửa đá : - Chế độ sửa đá - Dụng cụ sửa

Các đại lợng xuất hiện trongquá trình mài

* Chất lợng bề mặt chi tiết:

- Nhấp nhô bề mặt

- Vết cháy, vết gằn bề mặt - Tổ chức lớp bề mặt - Tính chất cơ lý lớp bề mặt + Độ cứng tế vi

+ Chiều sâu lớp biến cứng + Tính chất lớp ứng suất d bề mặt

tính kinh tế + Giá thành

+ Năng suất + Tuổi bền của đá

nct

1.1.2 Quá trình tạo phoi khi mài

Nếu xem xét quá trình tạo phoi khi mài của một hạt mài ta thấy nó cónguyên lý làm việc tơng tự nh với một răng của dao phay (hình 1.3 [4]) songquá trình mài có những đặc thù riêng, tơng đối khác biệt với quá trình cắtbằng dụng cụ kim loại nh dao phay

Hình 1.3 Quá trình tạo phoi khi mài của một hạt mài

1- Hạt mài; 2 - Phoi mài; 3 - Phôi Những khác biệt ấy bao gồm:

- các lỡi cắt của hạt mài tham gia cắt không liên tục.

- Lớp kim loại đợc cắt bởi một hạt đá mài có sự phụ thuộc về quan hệchiều rộng và bề dày hạt đá.

- Hình dáng hình học của hạt mài không xác định, ở đỉnh cắt của hạtmài có cung lợn bán kính R.

- Hạt mài phân bố không có quy luật trên bề mặt trụ của đá.

- Tốc độ cắt cao, có nhiều lỡi cắt cùng tham gia cắt đồng thời trongvùng cắt (vùng tiếp xúc giữa đá và bề mặt gia công).

- Các lỡi cắt của hạt đá mài có độ cứng, bền nhiệt, độ giòn rất cao.

- Do có nhiều lỡi cắt cùng tham gia cắt gọt nên tạo ra nhiệt cắt lớn,nhiệt độ vùng cắt cao.

- Có hiện tợng trợt giữa hạt mài và kim loại trớc khi cắt gọt.

a (a<<) b(a<) c(a>)

Hình 1.4 Sơ đồ mô tả quá trình tạo phoi bằng hạt mài có bán kính đỉnh cắt p

a-Hiện tợng trợt của hạt mài trên bề mặt mài; b- miết kim loại; c- tạo phoi Dới áp lực mỗi lúc mỗi tăng từ hạt mài lên bề mặt gia công làm tăngquá trình biến dạng dẻo và nhiệt độ tăng làm cho kim loại mài bị mềm hơn.Độ sâu của lớp cắt đạt đợc giá trị a sẽ xuất hiện tạo phoi nh vậy quá trình làmviệc của bất kỳ hạt mài nào trên chiều dài cung tiếp xúc giữa đá mài và phoiđều đợc chia thành các giai đoạn: trợt miết, tạo phoi.

Đá mài không có lỡi cắt liên tục trên vành cắt, các cạnh cắt của hạt màinằm trên độ cao khác nhau, do đó không phải tất cả các hạt mài đều tham giacắt gọt trong cùng một thời điểm giống nhau Hạt thì trợt trên bề mặt gia công,hạt thì miết nén, hạt thì tạo phoi Những hạt có bán kính cung lợn lớn tức lànhững hạt quá mòn không thể cắt đợc lát cắt mỏng, những hạt này không cắtmà chỉ trợt trên bề mặt gia công, lúc này sinh ra một lợng nhiệt rất lớn

Nh vậy quá trình tạo phoi khi mài tuỳ thuộc vào yếu tố hình học của hạtmài Quá trình tạo phoi xảy ra trong khoảnh khắc rất nhỏ 0,001- 0,005 giây.[9]

Tổng số lợng hạt phoi đợc cắt bởi một đá mài trong một đơn vị thời gianlà rất lớn (hàng trăm triệu hạt phoi trong một phút) Bề dày của phoi rất khácnhau từ một vài micrômet đến vài phần trăm micrômet, những phoi quá nhỏ d-ới tác dụng của nhiệt cao sẽ bị cháy tạo thành tia lửa khi mài Những phoi lớnhơn cùng với những phần tử hạt bị mòn của đá đợc dung dịch tới nguội rửatrôi.

1.1.3 Biến đổi cấu trúc lớp bề mặt kim loại mài

Chúng ta biết rằng 80% công trong quá trình mài đợc biến thành nhiệtchỉ có 20% năng lợng làm biến dạng mạng tinh thể Biến đổi cấu trúc mạngtinh thể dẫn đến xuất hiện nội ứng suất bởi vì chúng gây ra biến đổi thể tíchkim loại Nếu nh nội ứng suất vợt quá đại lợng bền tức thời kim loại sẽ bị pháhuỷ, lúc này sẽ sinh ra các vết nứt khi mài [35].

Trong quá trình mài xuất hiện hiện tợng cháy mài do đó cần phải khốngchế sinh nhiệt trong quá trình mài Nhiều kinh nghiệm thực tế cho thấy rằngnhiệt phát sinh khi mài và sau đó là khả năng gây cháy mài có nguyên nhântrực tiếp từ lựa chọn chế độ mài, đặc tính kĩ thuật của đá và phơng pháp điềuchỉnh máy mài

* Biến dạng dẻo khi mài:

Kim loại và hợp kim đều có cấu trúc mạng tinh thể và đợc hình thành từmột số lợng lớn các hạt đa tinh thể đợc xếp theo những trật tự khác nhau vềkích thớc Chúng liên kết với nhau tạo thành khối rất bền vững về cơ học Bềmặt các kim loại đa tinh thể liên kết với nhau bằng những lớp tinh thể nhỏ vàkhi bị phá huỷ có phơng rất khác nhau

Khi gia công kim loại bằng phơng pháp cắt gọt sẽ xuất hiện biến dạngdẻo trên lớp mỏng ở bề mặt, lan toả sang các vùng lân cận nằm dới lớp bề mặtgia công Quá trình biến dạng dẻo phát sinh theo hớng trợt tức là làm dịchchuyển một lớp tinh thể này theo mặt phẳng liên kết tinh thể nhất định nào đó.Cũng có thể nói rằng quá trình trợt là sự dịch chuyển của một lớp nguyên tửnày so với lớp nguyên tử kia, dới tác dụng của lực biến dạng (tức là dới sự tácdụng của lực cắt)

Sự trợt bắt đầu khi xuất hiện ứng suất trợt đủ lớn để gây trợt Quá trìnhbiến dạng dẻo xẩy ra sau biến dạng đàn hồi, sức lan toả hầu nh bằng tốc độâm thanh (với thép khoảng 5130 m/s), nhng để xuất hiện biến dạng dẻo đảmbảo cho các hạt tinh thể dịch chuyển đợc cần có nhiều thời gian hơn Bởi vậyở tốc độ biến dạng cao xuất hiện biến dạng dẻo cục bộ tại chỗ Biến dạng dẻocũng đợc hiểu nh biến dạng giữa các tinh thể, trong đó một số hạt này dịchchuyển tơng đối với một số hạt khác Chính những sự dịch chuyển này khônglớn, nhng cũng đủ để gây phá huỷ đờng biên của hạt, cuối cùng phá huỷ kimloại.

Khi cắt kim loại bằng hạt mài ở lớp ngoài cùng bị kéo chảy theo hớngtác dụng của lực cắt Các tinh thể về cơ bản đợc sắp xếp theo hớng của sơ đồmạng tinh thể, tơng tự sắp xếp của các hạt nhỏ theo hớng biến dạng gọi là vânkim loại Nh vậy khi biến dạng dẻo xuất hiện những hiện tợng sau:

- Thay đổi tính chất cơ lý của lớp bề mặt.

- Khi cắt kim loại biến dạng dẻo gây ra biến cứng lớp bề mặt do đó chitiết trở nên bền hơn và độ cứng tế vi đợc nâng cao hơn và giảm tính dẻo

* ứng suất d lớp bề mặt:

Các nghiên cứu trớc đây đã xác định rằng ứng suất d ảnh hởng lớn đếntính chất sử dụng và tuổi bền của chi tiết máy, ảnh hởng lớn nhất đến tuổi bềnlà độ cứng tế vi lớp bề mặt.[6]

Yếu tố cơ bản để đánh giá tình trạng lớp bề mặt là độ lớn và chiều củaứng suất mỏi bên trong lớp kim loại Các loại ứng suất này xuất hiện trong quátrình mài và tồn tại trên chi tiết gia công ứng suất d trên lớp bề mặt xuất hiệndo những nguyên nhân sau:

- Biến dạng dẻo lớp bề mặt.

- Biến dạng dẻo không đồng nhất, liên quan đến kéo các thớ, sợi kimloại lớp bề mặt và phát sinh trong lớp này ứng suất d nén có ảnh hởng theochiều cắt gọt.

- Cháy lớp mỏng trên bề mặt kèm theo xuất hiện ứng suất d kéo

- Biến đổi pha các lớp kim loại dẫn đến chúng có cấu trúc khác nhau,các lớp này có thể tích khác nhau do đó tạo ra các lớp ứng suất d có dấu và giátrị khác nhau.

Nghiên cứu về độ lớn và tính chất ứng suất d mang một ý nghĩa lớn,nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi khử ứng suất d trên lớp bề mặt đã làmtăng bền chi tiết gia công và nâng cao khả năng chịu mòn Trong quá trình

mài chọn chế độ cắt hợp lý sẽ tạo ra một lớp bề mặt có ứng suất d nén làmtăng tuổi thọ chi tiết gia công.

1.2 Cấu tạo của đá mài 1.2.1 Vật liệu hạt mài

Đá mài là loại dụng cụ cắt đợc chế tạo từ vật liệu dạng hạt- liên kết vớinhau thành một thể nguyên khối bằng những chất kết dính

Những vật liệu hạt mài sử dụng để chế tạo dụng cụ từ hạt mài là các loại vật liệu nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, mà chúng có độ cứng lớn và cókhả năng cắt gọt cao

Các vật liệu hạt mài sử dụng để chế tạo các dụng cụ thờng đợc phânthành hai nhóm: tự nhiên và nhân tạo Nhóm vật liệu tự nhiên bao gồm cáckhoáng chất sau: Kim cơng tự nhiên, thạch anh, đá lửa, granat, Coranh đông,Các bua Silic, Với loại vật liệu nhân tạo bao gồm: Kim cơng, Nitrit bo ởdạng mạng lập phơng thể tâm (CBN), Co ranh đông điện, Các bit silic, Các bitbo, Oxyt nhôm …

Kim cơng tự nhiên (A) là một biến thể của cacbon Nó có độ cứng caonhất trong số các loại vật liệu mài tự nhiên và nhân tạo đã biết hiện nay Tuynhiên kim cơng giòn Kim cơng thờng đợc xác định khối lợng theo cara Mộtcara bằng 200 miligam.

Kim cơng nhân tạo (A.C) Để tổng hợp kim cơng nhân tạo, ngời ta sửdụng các vật liệu có chứa cácbon kết hợp với một số chất xúc tác Vật liệu cơbản thờng dùng là graphit Đôi khi ngời ta còn dùng cả than củi Vật liệu xúctác thờng dùng là kim loại (crôm, niken, sắt, côban và một vài kim loại khác).Dới tác động của nhiệt độ và áp suất cao kim cơng nhân tạo sẽ đợc hình thành Côranhđông điện có hai loại: Côranhđông điện thờng (1A), đợc thiêu kếttừ bốcxít và các biến thể của nó nh 12A, 13A, 14A, 15A, 16A Côranhđôngđiện trắng (2A) đợc thiêu kết từ ôxit nhôm và các biến thể của nó 22A, 23A,24A, 25A.

Các loại Côranhđông điện hợp kim đợc phân biệt với nhau bởi hàm lợngcủa ôxit nhôm chứa trong nó.

Cacbít silic: là một hợp chất của Silic và Cacbon nhận đợc từ than cốcvà cát thạch anh khi nung nóng tới 2000-21000c trong lò điện Đây là một loại

vật liệu mài quý Nó có màu xanh đậm, óng ánh Tuỳ thuộc vào hàm lợng củaSilic nguyên chất, ngời ta phân thành 2 loại, Cacbit silic xanh (6c)

và Cac bit silic đen (5c) Cacbit silic có một số tính chất quan trọng sau: - Chúng có độ cứng rất cao (chỉ đứng sau Kim cơng, Enbo, và Cacbit bo) - Có hình dáng nhọn, sắc nên khả năng cắt rất cao

- Độ chịu nhiệt rất cao (có thể tới 20500c)

Cacbit bo: là một hợp chất của Bo với Cacbon (BrC) Nó có khả năng cắtcao, chịu mài mòn và độ trơ hoá học Cacbit bo đợc sản xuất có hàm lợng 87-94% BrC.

Nitritbo lập thể (CBN) là loại vật liệu siêu cứng, có chứa 43,6% Bo và56,4% Nitơ Mặc dù nó có độ cứng nhỏ hơn kim cơng một chút, nhng lại cókhả năng cắt và độ chịu mài mòn rất cao, vợt hẳn các loại vật liệu mài thôngthờng, độ chịu nhiệt cao (tới 12000c) [9]

1.2.2 Vật liệu dính kết

Chất kết dính dùng để kết dính những hạt mài rời rạc thành khối Đámài có chất lợng cao hay thấp phụ thuộc vào chất kết dính Tuỳ thuộc vào yêucầu sử dụng của đá mài mà ngời ta sử dụng các loại chất kết dính khác nhauđể chế tạo đá Chất kết dính thờng đợc chia thành các nhóm cơ bản là:

- Chất kết dính vô cơ bao gồm: Gốm, Manhêdit và Silicat.

- Chất kết dính hữu cơ bao gồm: Bakêlic, Gliphtalin và Vuncanic.- Chất kết dính kim loại

Trong đó khoảng 50-60% tổng sản lợng đá mài đợc chế tạo từ chất dínhkết vô cơ, 30-39% từ chất kết dính hữu cơ, 1-2% chất kết dính kim loại.[8] Chất dính kết Keramic (K) Trong thành phần của chất kết dính Keramiccó chứa ôxit nhôm chịu lửa, pensphat, thạch anh, manhê và các thành phầnkhác Đá mài có chất dính kết keramic có độ xốp lớn, do vậy ít bị bết phoi khimài, khả năng cắt cao, chống thấm nớc tốt Tuy nhiên chất kết dính keramicgiòn, do vậy rất nhạy cảm với các lực va đập khi mài

Chất kết dính Silicat: chất kết dính này đợc chế tạo từ thuỷ tinh lỏng trộnvới ôxit kẽm, manhê và ôxit nhôm chất kết dính silicat có độ cứng trungbình Đá mài với chất kết dính silicat rất chóng mòn, nhng ít toả nhiệt khi mài Chất kết dính Bakelic: Thành phần chính của chất kết dính bakelic làbakelic lỏng hoặc bột (hắc ín, nhựa nhân tạo) Đá mài với chất kết dínhbakelic có độ bền cao nhng mau mòn Chất kết dính bakelic có tính đàn hồi

cao, do đó nó cho phép chế tạo đá mài có chiều dày bé (< 0,5 mm) để dùnglàm đá cắt và gia công với chế độ cắt cao [9]

Chất kết dính Vuncanit: Thành phần chính của chất kết dính vuncanit làcao su nhân tạo và một số chất phụ gia khác có chức năng làm tăng độ cứng,độ bền và độ đàn hồi của dụng cụ Đá mài với chất kết dính vuncanit có độđàn hồi cao hơn so với đá mài có chất kết dính bakelit, nhng nhiệt độ làm việcthấp hơn ( 1500c).

Để tăng độ bền của đá mài, ngời ta sử dụng các chất kết dính hợp kim.Chất kết dính có chứa Bo (52%) và titan cho phép chế tạo đá mài làm việc vớitốc độ cắt đến 60 m/s Các chất kết dính có chứa thêm ôxitbo, ôxitliti, bari,phtora sẽ tăng cờng đáng kể các đặc tính cơ học của đá mài [9]

1.2.3 Độ hạt của đá mài

Độ hạt của đá mài đợc biểu thị bằng kích thớc thực tế của hạt mài (theoOCT – 3647 – 59) (bảng1.1) Tính năng cắt gọt của vật liệu phụ thuộc vàokích thớc hạt mài Khi mài thô dùng loại hạt có kích thớc lớn và ngợc lại khimài tinh dùng loại hạt có kích thớc nhỏ Hạt mài đợc phân ra làm 3 nhóm[15]:

- Nhóm thứ nhất gọi là hạt mài gồm các số hiệu: 200; 160; 125; 100;80; 63; 50; 40; 32; 25; 20; 16.

- Nhóm thứ hai gọi là bột mài gồm các số hiệu: 12; 10; 8; 6; 5; 4; 3 - Nhóm thứ ba gọi là phấn mài gồm các số hiệu: M40; M28; M20;M14; M7; M5.

Chất lợng của hạt mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố song quan trọng nhấtlà sự đồng đều của các hạt.

Bảng 1.1 Độ hạt mài và phạm vi sử dụng

Độ hạt mài

Phạm vi sử dụngTheo OCT –

3647 – 59(m)

Hệ Anh (Số mắtsàng/1inch

chiều dài)200 – 160

125 – 8050 – 40

40 – 25 –

10 – 1216 – 2436 – 46

10 – 6

12 – 46 – 5

6 – 3

120 – 180

100 – 280180 – 230

180 – 320

dao tiện bằng hợp kim cứng, thép gió…- Mài tinh những chi tiết có độ bóng vàđộ chính xác cao, các dụng cụ đo kiểm - Mài ren, mài sửa cần có độ bóng cao- Mài nghiền các chi tiết và các loại dụngcụ nhiều lỡi đòi hỏi độ nhẵn cao

- Mài khôn xi lanh, mài mỏng, mài rà

1.2.4 Cấu trúc đá mài

Cấu trúc đá mài đặc trng cho tổ chức bên trong của đá mài, nghĩa là quanhệ giữa các thể tích của hạt mài, chất kết dính và khoảng trống của đá Cơ sởđể phân loại đá mài theo cấu trúc là thể tích của hạt mài Những đá mài cócùng một cấp cấu trúc khi thể tích do các hạt mài chiếm chỗ là nh nhau vớimọi cấp độ cứng Cấu trúc của đá mài đợc chia thành 12 cấp từ 112 [15]

Khi tăng một cấp cấu trúc thì thể tích hạt mài trong đá giảm một lợng V = 2%, còn thể tích chất dính kết tăng 2% tơng ứng:

(Vh - V) + (Vdk + V) + Vt =100%Trong đó:

Vh – Thể tích hạt màiVdk – Thể tích chất dính kếtVt – Thể tích các khoang trống

Thể tích chung các khoang trống r của đá ứng với một độ cứng nhấtđịnh không thay đổi với các cấu trúc khác nhau Tuy nhiên khi tăng cấp cấutrúc của đá thì các khoang trống sẽ trở nên lớn hơn.

Đá mài có cấu trúc chặt, trong đó hạt mài đợc bố trí quá mau, khoảngcách giữa các hạt nhỏ, chủ yếu để mài bóng

Đá mài có cấu trúc xốp, khoảng cách giữa các hạt lớn, thoát phoi tốt, vìvậy cho phép nâng cao tốc độ cắt, nhng khi đó đá lại kém bền.

Để tạo khoảng trống, khi chế tạo đá mài, ngời ta trộn các chất phụ gia(mùn ca, gỗ, than v.v…) vào hỗn hợp trớc khi ép, khi thiêu kết các chất phụgia sẽ cháy và tạo thành các khoang rỗng.

Đá mài có độ hạt 125  80 thờng dùng cấp cấu trúc No 3  4 Độ hạt50  40 thờng dùng cấp cấu trúc No 5  6, độ hạt 25  12 thờng dùng cấpcấu trúc No 6  7.

Thành phần hạt mài của các cấp cấu trúc có trong bảng 1.2, cấu trúc củađá mài hình 1.5 [9].

Bảng 1.2 Thể tích hạt mài phân bố theo cấp cấu trúc

Cấp cấutrúc

% thể tíchhạt mài

Cấp cấutrúc

% thể tích hạtmài

Cấp cấutrúc

% thể tíchhạt mài

Hình 1.5 Cấu trúc của đá mài

1 Hạt mài, 2 Chất kết dính, 3 Khoảng trống

1.2.5 Độ cứng của đá mài

Độ cứng của đá mài đợc hiểu là khả năng liên kết của các hạt mài bởicác chất kết dính để chống bật hạt mài khỏi bề mặt đá dới tác dụng của ngoạilực Độ cứng càng cao có nghĩa hạt mài càng khó tách rời khỏi bề mặt của đá,khả năng chịu lực càng lớn, tuy nhiên khả năng tự mài sắc kém

Độ cứng của đá mài phụ thuộc vào tỷ lệ, chất lợng chất dính kết, dạngvật liệu hạt mài, quy trình công nghệ chế tạo đá mài Độ cứng của đá mài ảnhhởng đến năng suất và chất lợng khi mài

Bảng kí hiệu độ cứng đá mài của một số nớc đợc dùng trong các xínghiệp hiện nay(bảng 1.3) [9], [15].

31

Ký hiệu của độ cứng đá theo mức tăng dần, bởi vậy M3 đợc xem làcứng hơn M1 v v Trên thực tế chọn đúng độ cứng của đá có một ý nghĩaquan trọng, chúng ta biết rằng đá mài có những tính chất đặc trng; tính cắt củachúng ở nhiều mức độ khác nhau.

Khi mài bằng đá mài mà chọn đúng độ cứng, hạt mài theo thời gianmòn dần, tải trọng cắt trên hạt đá đó cũng lớn dần nó phải tự rơi hoặc tách rakhỏi bề mặt đá để lớp cạnh cắt mới lại xuất hiện.

Cứng vừa CV1,CV2,CV3 CT1, CT2, CT3 ZY1, ZY2, ZY3P, QP, O, R, S

Khi mài bằng đá mài quá mềm, hạt mài sẽ bị tách vỡ khỏi bề mặt đá,nó không kịp mòn, đá mài mòn hình học quá nhanh, giảm năng suất gia công

1.2.6 Topography của đá mài * Định nghĩa:

Tập hợp tất cả các lồi lõm trên bề mặt đá mài đợc xác định trong không

gian 3 chiều với những đặc trng cụ thể của nó gọi là Topography của đá mài Để mô tả những đặc trng của Topography, tại hội thảo hội nghị đo lờngquốc tế tháng 9/1991 Brussels ngời ta đa ra 14 thông số mô tả đặc điểm chínhcủa Topography của bề mặt 3D Đó là 4 thông số mô tả khả năng phân loạiđộ rộng và độ cao; 4 thông số mô tả tính chất không gian; 3 thông số mô tảkhả năng kết hợp và 3 thông số chức năng.

* Thông số phân loại độ rộng, độ cao:

1 Sai lệch căn trung bình bình phơng Sq: Là giá trị căn trung bình bình ơng của một phần bề mặt nằm trong vùng mẫu nó đợc xác định nh sau:

ph-(1.1) 2 Độ nhám bề mặt Sz

(1.5) 2 Tỷ lệ dạng dệt của bề mặt Str.

Khoảng phõn giải nhanh nhất đến 0,2 theo tiờu chuẩn AACF 0 < Str < Khoảng phõn giải chậm nhất đến 0,2 theo tiờu chuẩn AACF

3 Hớng dạng dệt của bề mặt Std.

-β với β < π/2 Std =

π – β với β < π/2

4 Độ phân giải nhanh nhất của tự tơng quan đến độ dài Sal.

(1.6)

* Thông số mô ta khả năng kết hợp:

1 Độ dốc căn trung bình bình phơng bề mặt Sq: là độ dốc căn trung bình bìnhphơng của bề mặt nằm trong vùng mẫu.

* Thông số chức năng để mô tả khả năng chịu lực và duy trì lu chất:

1 Chỉ số chịu lực bề mặt Sbi: đây là tỷ lệ của sai lệch Sq đối với chiều cao bềmặt ở vùng chịu lực 5%.

* Đặc điểm của Topography của bề mặt đá mài:

- Topography phụ thuộc các thông số đặc trng của đá mài nh: độ cứng,độ hạt, vật liệu hạt mài, vật liệu chất kết dính…

- Topography phụ thuộc vào điều kiện và chế độ công nghệ khi sửa đá.- Topography luôn biến đổi trong quá trình mài Sự biến đổi củaTopography phụ thuộc vào dạng Topography khởi thuỷ đạt đợc sau khi sửa đá,vào tải trọng cơ nhiệt tác động trên hạt đá mài, trên chất kết dính và phụ thuộcvào chế độ công nghệ khi mài.

- Topography ảnh hởng trực tiếp và quyết định đến khả năng cắt, đến độmòn, tuổi bền của đá và chất lợng bề mặt chi tiết gia công.

* ý nghĩa của Topography của bề mặt đá mài:

Topography của đá đặc trng cho cấu trúc hình học của bề mặt đá mài.Đặc điểm hình học của dụng cụ mài phức tạp hơn rất nhiều so với dụng cụ cắtcó lỡi cắt xác định: có số lỡi cắt rất lớn, các hạt mài có hình dạng khác nhau,thông số của các hạt cũng khác nhau tạo nên thông số của các lỡi cắt cũngkhác nhau và thờng không hợp lý, các hạt mài đợc phân bố ngẫu nhiên trongđá mài…Vì vậy gần đây các nhà nghiên cứu về mài trên thế giới cho rằngTopography là yếu tố trực tiếp ảnh hởng đến các thông số công nghệ trongquá trình mài cũng nh chất lợng chi tiết gia công Họ cho rằng có thể dùngTopography của đá để đánh giá quá trình mài Từ đó môt số nghiên cứu đãtiến hành đánh giá nó một cách cụ thể, nhằm xây dựng mối quan hệ trực tiếphơn giữa các yếu tố công nghệ trong quá trình mài để có thể điều khiển nóhiệu quả hơn

Topography của đá ảnh hởng trực tiếp đến tính chất tiếp xúc giữa bềmặt làm việc của đá và bề mặt chi tiết gia công nên nó ảnh hởng rất lớn đếntính năng cắt gọt, độ mòn và tuổi bền của đá.

Nh vậy, khi các điều kiện công nghệ khác đã xác định thì việc nghiêncứu để tạo ra đợc Topography của đá thích hợp có ý nghĩa kinh tế – kỹ thuậtrất lớn để cải thiện tính cắt gọt, mở rộng khả năng gia công của đá mài, nângcao năng suất, độ chính xác gia công, cơ lý tính lớp bề mặt chi tiết gia công vànâng cao tuổi bền của đá mài.

1.3 Động học quá trình mài

Việc nghiên cứu động hình học quá trình cắt của hạt mài nhằm thiết lậpcác phơng trình quan trọng nh: quỹ đạo cắt của hạt mài, chiều dài cung tiếpxúc, chiều dày lớp cắt …

1.3.1 Quỹ đạo cắt của hạt mài

Khi mài tròn ngoài chạy dao dọc, hạt mài chuyển động theo vòng trònđồng thời chi tiết quay và chuyển động dọc trục (hình 1.6)

Hình 1.6 Sơ đồ tính toán quỹ đạo cắt của hạt mài

Theo hình vẽ các chuyển động trên hình 1.6 quỹ đạo của các vết cào ớc tạo bởi hạt mài có dạng đờng cong xoắn vít đợc xác định bởi hệ phơngtrình: [89]

(1.13)Trong đó: u=nct.Sd

nct – Tốc độ quay chi tiết (v/ph)Sd – Lợng chạy dao dọc (m/ph)Vđ – Vận tốc cắt của đá (m/s)vct – Vận tốc cắt của chi tiết (m/ph)

1.3.2 Chiều dài cung tiếp xúc

Chiều dài cung tiếp xúc giữa chi tiết và đá mài khi bỏ qua biến dạngđàn hồi của hệ thống công nghệ đợc xác định theo công thức; [89]

D - Đờng kính đá mài (mm) d - Đờng kính chi tiết gia công (mm)

Khi mài chạy dao ngang sd=0 thì u = 0 ta có

Nếu quy ớc trong quá trình mài chi tiết đứng yên (vct = 0) thì:

Khi mài tròn trong, mài phẳng chiều dài cung tiếp xúc khác mài trònngoài Tuy nhiên chúng ta có thể tính đợc lk không phụ thuộc vào phơng phápmài bằng cách đa ra khái niệm đờng kính mài tơng đơng Dtd

(1.17) Trong đó: Dấu ‘+’ khi mài tròn ngoài, Dấu ‘-’ khi mài tròn trong, khi màiphẳng d 

Vậy công thức xác định chiều dài cung tiếp xúc không phụ thuộc vàophơng pháp gia công [35].

Mài lỗ Mài phẳng Mài tròn ngoài

Hình 1.7 Chiều dài cung tiếp xúc của các phơng pháp mài

Mật độ lỡi cắt tĩnh là số lợng lỡi cắt tĩnh trên một đơn vị chiều dài trênmặt cắt của đá Ngoài ra, ngời ta còn đa ra khái niệm mật độ lỡi cắt tĩnh trênmột đơn vị diện tích bề mặt đá Nct (1/mm2) và mật độ lỡi cắt tĩnh trên một đơnvị thể tích đá Cct (1/mm3).

- Lỡi cắt động: Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy, chỉ một phần lỡicắt của hạt đá nhô ra khỏi chất dính kết tham gia cắt, các lỡi này gọi là lỡi cắtđộng

Ví dụ trên hình 1.8 thì S1, S4, S7, S9 là các lỡi cắt động, L2 là khoảngcách giữa các lỡi cắt động Mật độ lỡi cắt động đợc khái niệm nh lỡi cắt tĩnh;mật độ trên một đơn vị chiều dài Scd, trên một đơn vị diện tích bề mặt đá Ncdvà trên một đơn vị thể tích Ccd .

L

Chi tiếtS1

S4 S5 S6

S7 S8 S9S2

(1.21)Trong đó:

t – Chiều sâu cắt thực tế của một hạt mài (mm)l – Khoảng cách thực tế giữa các hạt (mm)B – Chiều rộng của đá (mm)

 - Hệ số: mài tròn ngoài =1, mài tròn trong  = -1, mài phẳng  = 0 Từ phơng trình trên thấy rõ chiều dày phoi đợc hớt đi bởi một hạt màiaz phụ thuộc vào tất cả các thông số mà: vd, vct, l, t, B, Sd, D và d Trị số azquyết định đến tải trọng tác dụng lên hạt mài do đó quyết định đến độ mòn,tuổi bền của đá mài và kết quả của quá trình mài.

Vì vct << vd nên ta có thể bỏ qua 2.vct ở mẫu số 60 vd 2.vct trong công

Đặt K =

thì az đợc xác định theo công thức sau:[28].

Từ công thức ta thấy: ngoài các yếu tố đã nêu ở trên, thì az còn phụthuộc vào mật độ lỡi cắt tĩnh Sct Trong đó, chế độ công nghệ khi sửa đá ảnh h-ởng rất lớn đến mật độ lỡi cắt tĩnh Sct nên cũng ảnh hởng rất lớn đến az Vì vậysẽ ảnh hởng rất lớn đến quá trình mài và kết quả mài

Sơ đồ xác định chiều dày phoi az và hình dạng phoi hình 1.9

Hình 1.9 Chiều dày và hình dạng phoi

1.4 động lực học quá trình mài 1.4.1 Lực cắt khi mài

Các lực cắt khi mài không lớn nhng các lực này có ảnh hởng đến chất

lợng bề mặt và độ chính xác chi tiết gia công khi mài Lực sinh ra trong quátrình mài bao gồm tổng hợp các lực cắt gọt của đá mài và lực cắt cào xớc tế vicủa một hạt đá.

Hình 1.10 Sơ đồ lực cắt khi mài tròn

Lực cắt khi mài (cũng nh đối với trờng hợp cắt bằng dao tiện ) thờng ợc phân ra 3 lực thành phần [15]: lực hớng tâm PY, tiếp tuyến Pz và lực dọctrục Px Chiều dày cắt nhỏ với bán kính đỉnh của lỡi cắt và có góc cắt trớc âmdẫn đến một vấn đề là lực hớng kính Py tạo ra lớn hơn lực tiếp tuyến Pz

đ-Đặc trng của lực cắt khi mài là thay đổi theo thời gian mài Nguyên nhâncủa tính không ổn định rất khác nhau: đó là tính không cân bằng của đá màivà dạng hình học không chuẩn, độ không bằng phẳng và các đặc tính của chitiết, dao động bên ngoài truyền vào vùng cắt và làm thay đổi tiết diện cắt, mòntức thời và cùn của đá mài ở phần lớn các trờng hợp (đặc biệt khi mài tinh)tính không ổn định của lực cắt ảnh hởng quyết định đến các thông số đầu raquan trọng nhất đó là chất lợng và độ chính xác bề mặt chi tiết gia công.

Lực cắt có thể biểu thị ở dạng giá trị số trung bình và tổng các giá trịthành phần điều hòa trong thời gian [90]:

P () = PCp () + 

i() sin i ( +i), (1.24)ở đây: PCp - giá trị trung bình của lực vào thời điểm đã cho;

 - thời gian mài

i, i , i - biên độ dao động của lực, tần số góc và góc pha i - điều hòa

n - số thành phần chuỗi.

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các dao động của lực cắt cơ bản vàđặc trng nhất là nh sau:

P () = PCp () + Px () sin k  +  Pa() sin a , [90] (1.25)ở đây:  Px (), k - biên độ tơng ứng và tần số góc dao động của lực bị gây rabởi độ không cân bằng của đá mài hoặc là hình dạng hình học không chuẩn.

 Pa(), a - biên độ và tần số dao động của lực với tần số dao độngriêng của cụm hệ công nghệ nào đó.

Các hạt mài tạo ra phoi nhỏ, mảnh nên lực do các hạt mài phát sinh nhỏ.Tuy nhiên khi mài có nhiều hạt mài đồng thời tham gia cắt gọt, nên tổng lựccắt của tất cả các lỡi cắt khá lớn Nếu gọi lực cắt tác dụng lên một hạt mài làPi thì lực cắt tổng hợp khi mài đợc xác định:

Trong đó : P - lực cắt tổng hợp khi mài;

n - tổng số lỡi cắt đồng thời tham gia cắtLực cắt tổng hợp đợc phân ra 3 thành phần PPz Py Px

Trong đó: Pz thành phần lực tiếp tuyến; Py thành phần lực pháp tuyến; Pxthành phần lực theo phơng chạy dao

1.4.2 Phơng trình cơ bản để xác định lực cắt

Để giải thích đợc những ảnh hởng của các thông số khác nhau và điềukiện mài đến quá trình động lực ngời ta đã xác lập phơng trình cơ bản để xácđịnh lực cắt tế vi bởi mỗi hạt mài riêng biệt và lực tổng hợp bởi tất cả các hạtmài phân bố trong vùng tiếp xúc

Lực cắt tế vi của mỗi hạt mài phụ thuộc vào các yếu tố cắt đợc xác địnhtheo công thức sau :

(1.27)Trong đó: p – ứng suất cắt

a – Chiều dày lớp kim loại đợc cắtb – Chiều rộng lớp kim loại đợc cắt H = p.ak

k – hệ số mũ biểu thị quan hệ của độ dày lớp phoi và ứng suấtcắt

Lực tiếp tuyến trong vùng tiếp xúc của đá với chi tiết đợc xác định bằngtích số của lực đơn vị với số hạt mài trung bình phân bố trong vùng tiếp xúc Công thức để tính lực P tổng hợp của các hạt mài cùng tác dụng trongvùng tiếp xúc nh sau: [90]

ở đây : Hệ số kể đến tính chất và độ tròn của các hạt mài; H và k là cáchệ số và số mũ xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào điều kiện giacông cụ thể

Từ công thức trên ta thấy lực cắt khi mài phụ thuộc vào tất cả các yếu tốvà điều kiện cắt (lợng chạy dao dọc và chiều rộng bánh mài )

1.4.3 Xác định lực cắt bằng thực nghiệm

Phơng pháp đo lực cắt phổ biến nhất là đo biến dạng đàn hồi của các cơcấu và của các chi tiết máy chịu lực đợc truyền từ vùng cắt đến (các cơ cấunh vậy đối với các máy mài tròn là mũi tâm, đối với các máy mài phẳng dùngcác máy đo lực đặc biệt, đối với mài trong là ống lót trục của cơ cấu trục ).

Để đo lực cắt trên máy mài tròn sử dụng mũi tâm đo lực mà kết cấu củachúng theo nguyên tắc vừa đảm bảo độ cứng vững của mũi tâm vừa đảm bảobiến dạng đàn hồi đủ nhạy để nhận đợc các tín hiệu lực truyền từ vùng cắtđến, do đó độ cứng của mũi tâm đo lực thấp hơn so với mũi tâm thông thờng Lực Pz có tác dụng làm tách phoi trong quá trình gia công (lực cắt gọt),đợc tính theo công thức sau:[15]

Pz = Cp 0.7

V S0.7.t0.6.10 (N)(1.29)Trong đó:

Vct - Tốc độ cắt của chi tiết

S - Lợng chạy dao dọc của chi tiết (mm/ph) t - Chiều sâu mài (mm)

Cp - Hệ số phụ thuộc vào vật liệu

Với thép đã tôi: Cp = 2.2; Thép không tôi: Cp = 2.1; Gang Cp = 2.0

Thực nghiệm đã chứng minh rằng, lực hớng kính Py lớn hơn lực cắt gọt Pz;Py = (13) Pz tuỳ theo từng loại vật liệu, khi mài vật liệu hợp kim cứng bằngđá Các bít silíc, tỷ lệ này lên tới 39 lần Đây cũng là nét đặc biệt của lựcmài, khác với Tiện, Phay và Bào, lực Pz lớn hơn Py và Px Lực hớng kính Py phụthuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ.

Có thể đánh giá trị số lực cắt qua hệ số khả năng cắt K, đặc trng cho tốcđộ cắt đi một lợng vật liệu tơng ứng với 1 kG lực pháp tuyến Py sinh ra.

K =

, mm3/ph.kG Trong đó:

Qm – tốc độ cắt vật liệu, mm3/ph.

1.4.4 Rung động khi mài

Cũng nh các chỉ tiêu về lực, trong quá trình mài thì rung động cũng làchỉ tiêu gián tiếp để đánh giá tuổi bền của đá mài, để đánh giá tuổi bền ta cóthể dùng chỉ tiêu biên độ dao động A hoặc gia tốc g(m/s2) Quan hệ giữa giatốc và tuổi bền đợc chia làm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: ứng với giai đoạn mòn ban đầu của đá Trong giai đoạnnày rung động có xu hớng giảm.

- Giai đoạn 2: ứng với giai đoạn mòn bình thờng của đá Trong giaiđoạn này rung động có xu hớng tăng.

- Giai đoạn 3: ứng với giai đoạn mòn khốc liệt của đá Trong giai đoạnnày rung động tăng mạnh.

1.5 mòn đá mài và tuổi bền đá mài 1.5.1 Mòn đá mài

Mòn đá mài là một quá trình rất phức tạp Quá trình mòn đá là tổng hợpcủa nhiều quá trình mòn khác nhau xảy ra tại vùng cắt

Các nghiên cứu đã đa ra cơ chế mòn và ảnh hởng của các yếu tố khácnhau đến mòn đá gồm đá mài và các đặc tính của nó, phôi, tới nguội và nhiềuyếu tố khác Việc nghiên cứu cơ chế mòn đá là cơ sở hợp lý để xác định tuổibền của đá.

1.5.1.1 Lợng mòn đá

Lợng mòn đá đợc hiểu là sự hao tổn thể tích của viên đá trong quá trìnhmài Thể tích lợng mòn đá hớng kính đợc tính [29]

ở đây rs là lợng giảm bán kính đá mài, ds là đờng kính trung bình của đámài trớc và sau khi bị mòn và b là bề rộng đá Trong hầu hết các trờng hợpthực tế, rs rất nhỏ so với đờng kính đá.

Diễn biến quá trình mòn đá mài tơng tự nh các quá trình mòn của dụngcụ cắt khác bao gồm 3 giai đoạn

Hình 1.11: Mối quan hệ giữa lợng mòn dao với thời gian cắt khi Tiện

OA: giai đoạn mòn ban đầu; AB: giai đoạn mòn ổn định; BC: giai đoạn mòn khốc liệt;

+ Giai đoạn 1: Giai đoạn mòn nhanh ban đầu của đá Thời gian mònban đầu tm nhỏ nhng độ mòn ban đầu Um lớn Nguyên nhân là sau khi sửa đácó nhiều hạt mài có vị trí và thông số hình học của lỡi cắt không thuận lợi choquá trình cắt hoặc các hạt mài liên kết không chặt chẽ với nhau Các hạt nàyliên tục bị bung ra khỏi chất kết dính

số Thời gian làm việc của đá đợc tính trong giai đoạn này Độ mòn của đátrong giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của tải trọng cơ nhiệt + Giai đoạn mòn thứ ba là mòn khốc liệt Mòn khốc liệt khi xuất hiệncó thể kèm theo cháy mài hoặc vết gằn và khi đó cần phải tiến hành sửa đá Để đánh giá khả năng đặc trng chống mòn đá ngời ta đa ra hệ số mònđá, ký hiệu G - là thể tích của vật liệu gia công trên một đơn vị thể tích mònđá:

G = Vw/Vs

Hoặc trong một số trờng hợp mòn bình ổn, [33]

G = Vw/Vs Trong đó: Vs - Thể tích đá mòn;

Vw - Tổng thể tích vật liệu bóc đi của chi tiết gia công; G =100 nghĩa là đá mài cắt đợc 100 đơn vị vật liệu chi tiết gia công thì bịmòn 1 đơn vị thể tích đá Hệ số G nằm trong một phạm vi rất rộng phụ thuộcvào vật liệu chi tiết gia công và phơng pháp mài Với mài tròn ăn dao ngangthì việc bóc tách vật liệu là liên tục (bỏ qua biến dạng đàn hồi của máy) thì tốcđộ giảm kích thớc hớng kính của phôi là iw:

Hạt mài

Chất kết dính

Hình 1.12: Cơ chế mòn đá

A Cùn; B Vỡ hạt mài; C Rơi hạt mài

Tuỳ thuộc vào điều kiện mài có thể xẩy ra các dạng mòn sau:

- Hạt mài nằm ở vị trí không thuận lợi trên bề mặt đá hoặc đợc giữ khôngchặt bởi chất kết dính, dới tác dụng của lực cắt chúng bị tách ra khỏi bề mặtđá Nó có thể xẩy ra theo bề mặt liên kết (gẫy cầu liên kết) khi sửa đá hoặc dohạt mài bị phá huỷ về thể tích.

- Các cạnh và đỉnh của những hạt mài nhô ra nhiều nhất một phần bị vỡvụn văng ra, một phần bị mòn và bị lì do ma sát với bề mặt chi tiết gia công.Trên bề mặt hạt mài xuất hiện các diện tích phẳng do bị mòn gây khó khăncho hạt mài ăn sâu vào bề mặt gia công

- Hạt mài bị vỡ mảnh lớn

- Hạt mài bị vỡ thành nhiều mảnh nhỏ, tạo thành nhiều lỡi cắt sắc hơn.- Phoi cắt ra cùng với vụn hạt mài và chất liên kết bị mòn rơi vào các lỗhổng của đá và bịt kín chúng làm mất các góc cắt của hạt mài, khi đó khảnăng luân chuyển phoi làm giảm tính cắt gọt.

- Kim loại gia công do ngng kết hoặc do tác dụng hoá học với vật liệu hạtmài bị dính vào các đỉnh hoặc trên bề mặt các hạt mài

Hình 1.13 Các dạng mòn của đá mài

a) hạt mài bị cùn; b) hạt mài bị vỡ từng mảnh nhỏ; c) hạt mài bị vỡ mảnh lớn; d) hạt mài bị tróc; e) hạt mài bị mất các góc cắt;

g) hạt mài bị che lấp bởi phoi và các tạp chất;

- Khi các hạt mài bị vỡ và bị rơi ra, khi đó bề mặt làm việc đá mài liêntục để lộ ra các lớp hạt mài mới, sự khôi phục này đợc gọi là tính tự mài sắccủa đá mài

Các dạng mòn trên xuất hiện đồng thời trong quá trình mài, tuy nhiêntuỳ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể mà một dạng mòn nào đó thể hiện rõnhất [7].

1.5.1.3 Phân tích mòn đá mài

Đá mài bao gồm một lợng hạt mài rất cứng liên kết với nhau bằng vậtliệu kết dính kém bền hơn Thực tế thì mòn toàn bộ đá mài có tốc độ bằng tốcđộ phá huỷ chất kết dính Mòn hạt mài xảy ra trớc khi hạt mài vỡ và sau đómới đến phá huỷ kết dính Tốc độ mòn đá phụ thuộc vào tần suất phá huỷ chấtkết dính.

Ta sẽ mô tả mòn đá theo các hệ số của tần suất phá huỷ kết dính Mỗi lầnhạt mài chạm vào bề mặt phôi sẽ có một xác suất Pb bị bật ra khỏi đá do pháhỏng kết dính

Tổng trọng lợng các hạt mài bị mòn W bằng tích của xác suất phá huỷkết dính, trọng lợng trung bình của tổng số hạt mài wtb và tổng số nhm hạt màichạm vào bề mặt phôi:

W = Pb.wtb.nhm (1.32)Quan hệ trên nói lên mòn tổng cộng chứ không chỉ tổn thất do phá huỷkết dính.

Hình 1.14 Hạt mài khi cắt chịu lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến

Với đá mài có chất kết dính thuỷ tinh do dễ vỡ nên phá huỷ kết dính phụthuộc vào độ lớn của ứng suất đặt vào liên kết giữa các hạt mài Sơ đồ trênhình 1.14 minh hoạ một hạt mài chịu ảnh hởng của thành phần lực tiếp tuyếnft và lực pháp tuyến fn Mặc dù ta biết ứng suất phá hỏng kết dính trên mặt ABnhng không dễ dàng tính đợc giá trị của nó, dờng nh thành phần lực tiếp tuyếnsinh ra ứng suất kéo và lực pháp tuyến sinh ra ứng suất nén Giả thiết rằng cácứng suất tỷ lệ với các thành phần lực thì ứng suất kéo ở liên kết có thể tính:

t = C1ft – C2fn (1.33)ở đây C1 và C2 là các hằng số phụ thuộc vào hình học hạt mài và chất kếtdính.

Với các đá mài cứng hơn có nhiều kết dính hơn, cầu kết dính giữa các hạtmài gần nhau sẽ lớn hơn, điều này có nghĩa là ứng suất sẽ nhỏ hơn Giả thiếtrằng một mối quan hệ tỷ lệ giữa tiết diện ngang kết dính tại AB và trọng lợngVb của chất kết dính thì ứng suất nén sẽ là:

1.5.2 Tuổi bền của đá mài

1.5.2.1 Khái niệm tuổi bền đá mài

Khoảng thời gian làm việc thực của đá mài giữa hai lần sửa đá đợc gọilà tuổi bền của đá mài.

Khái niệm tuổi bền của đá mài biểu hiện khả năng của các lỡi cắt chốnglại đợc sự mòn và phá huỷ trên bề mặt của đá mài Vì vậy các lỡi cắt trên bềmặt đá mài càng lớn chúng đợc gắn bằng chất kết dính càng tốt càng chắc hơnvà tải trọng lên mỗi lỡi cắt càng nhỏ khi cắt gọt thì tuổi bền của đá mài cànglớn.

Số lợng lỡi cắt trên đá mài đợc xác định bằng diện tích bề mặt làm việccủa nó, bằng độ hạt và cấu trúc của nó Việc tăng diện tích làm việc của đámài luôn dẫn đến tăng độ bền của nó Nói cách khác là phải tính toán kỹ độhạt và cấu trúc của đá mài: giảm kích thớc hạt mài và chỉ số cấu trúc của đámài để tiến đến tăng số lợng lỡi cắt trên bề mặt của đá mài.

Tuổi bền và khả năng chống mòn của các lỡi cắt của hạt mài, chất kếtdính của chúng phụ thuộc vào các tính chất vật liệu hạt mài, vào dạng hìnhhọc của chúng, vào các tính chất của chất kết dính và quá trình công nghệ sảnxuất đá mài.

Tải trọng lên các lỡi cắt của đá mài đợc xác định bởi chế độ cắt và sứcbền của vật liệu đợc gia công (tức là bởi tính gia công của chúng) Giảm tảitrọng bằng cách giảm chế độ cắt sẽ tăng đợc tuổi bền của đá mài, nhng lúcnày lại tăng thời gian gia công của máy và năng suất giảm đi Vì vậy tuổi bềncủa đá mài phụ thuộc bởi các yếu tố: cấu trúc của đá mài, chế độ gia công,tình trạng ở vùng cắt và tính gia công của vật liệu mài Topography là đặc trngcó thể đánh giá tốt nhất tuổi bền đá.

Khái niệm tuổi bền của đá mài phức tạp hơn so với tuổi bền của các loạidao cắt có lỡi cắt xác định (Tiện, Phay ) bởi vì đá mài còn có khả năng tựmài sắc, Tuỳ theo mức độ cùn của các hạt mài và sự bám dính kim loại lênđỉnh của chúng mà việc ăn sâu của hạt mài vào kim loại gia công bị cản trở,tăng ma sát giữa các bề mặt của đá mài và chi tiết, lực cắt, nhiệt độ và rungđộng trong quá trình mài cũng tăng lên.

Hiện nay, có những phơng pháp và thiết bị khác nhau để đo kích thớc chitiết và lợng kim loại lấy đi trong quá trình mài nhng hầu nh cha có cách nàođể đo đợc các thông số chất lợng thờng xuyên của bề mặt mài.

Các nghiên cứu trớc đây bằng phơng pháp thực nghiệm đã xác định đợctuổi bền của đá mài phụ thuộc vào chế độ cắt ở dạng các đờng cong mà sau đóvẽ bằng các hàm số.[4]

CtSv

Trong đó:

T - tuổi bền của đá mài

t,s,v - chiều sâu cắt, lợng tiến dao, vận tốc cắt của đá Ct , , , , c – hệ số xác định bằng thực nghiệm

Để xác định tuổi bền của đá mài về nguyên tắc có thể sử dụng cả cáctiêu chí gián tiếp khác (lực, công suất mài, rung động ) Nhng khi đó cần kếtnối số lợng các tiêu chí này với các thông số chất lợng bề mặt mài và với tốcđộ bóc cắt kim loại chi tiết gia công Tuy nhiên rất khó để thực hiện đợc tất cảđiều này vì sự phức tạp của các phép đo.

1.5.2.2 Các tiêu chuẩn đánh giá tuổi bền đá mài

Nguyên nhân phá vỡ quá trình mài chuẩn là sự tăng lực mài, nhiệt độ cắtgọt và sự rung động của chúng bị gây nên bởi độ mòn và bám dính bẩn của bềmặt làm việc của đá mài Những hiện tợng này kèm theo sự xấu đi các điềukiện thoát phoi khỏi chi tiết và chất lợng bề mặt của nó Mối quan hệ qua lạigiữa các hiện tợng nảy sinh cùng với mòn và dính bẩn đá mài đợc chỉ ra bằngsơ đồ.

Các thông số đầu vào Các hiện tuợng xảy ra Các thông số đầu ratrong quá trình mài

Vật liệu gia công

Chế độ cắtĐặc tính đá

mặt đá

Hình 1.15 Sơ đồ quan hệ của quá trình mài

Các tiêu chí chính để xác định tuổi bền đá mài là các thông số đầu ra củaquá trình mài (Độ chính xác và chất lợng bề mặt gia công, lợng kim loại bị

bóc đi) bởi vì chính chúng là những tiêu chuẩn có ích cần đạt của quá trìnhmài Vì vậy để xác định tuổi bền của đá mài hợp lý hơn cả là đo đợc các thôngsố đầu ra

Việc đo tất cả các thông số đầu ra trong thời gian gia công đối với phầnlớn các trờng hợp mài là cực kỳ phức tạp Ví dụ: việc đo các thông số chất l-ợng bề mặt mài của chi tiết trong khi gia công ngày nay cha tiến hành đợcthậm chí cả ở điều kiện phòng thí nghiệm khi nghiên cứu cả quá trình (loại trừmột vài thiết bị cho phép đo độ nhám của chi tiết trong thời gian mài).

Có một số cách khác xác định tuổi bền của đá mài đó là: đo độ mòn , đolực và đo nhiệt độ mài Phơng pháp này có ý nghĩa khi tồn tại các mối quan hệgiữa các đại lợng đo đợc với các thông số chất lợng, độ chính xác của bề mặtgia công và khối lợng kim loại lấy đi.

Do độ phức tạp và đa dạng của các quá trình mài nên việc xác định tuổi bền của đá rất phức tạp Không thể xây dựng một chỉ tiêu tổng quát để xácđịnh tuổi bền của đá cho mọi trờng hợp Do đó có thể có các phơng pháp xácđịnh tuổi bền của đá mài sau đây:

1) Bằng gia công các chi tiết mẫu.

Khi gia công các chi tiết mẫu thì tiến hành đo các thông số chất lợng củachi tiết nh: độ chính xác về kích thớc, nhám bề mặt, ứng suất d, vết cháy Căncứ vào kết quả đo các thông số và số lợng chi tiết mẫu, sẽ xác định đợc thờiđiểm phải sửa đá Phơng pháp này đợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất loạtlớn.

2) Bằng quan sát của ngời thợ điều khiển máy mài.

Ngời công nhân phải tự xác định thời điểm sửa đá mài dựa vào chỉ số đốivới các dấu hiệu chủ quan nh: xuất hiện âm thanh đặc biệt trong khi đá màilàm việc, vết cháy sém nhận thấy rõ, độ nhám bề mặt gia công xấu v.v…Yếutố chủ quan và sự thiếu chính xác là những nhợc điểm cơ bản của phơng phápnày Tuy nhiên phơng pháp này cũng đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế mài.

3) Bằng đo lực cắt thành phần hớng tâm PY.

Phơng pháp này dựa trên cơ sở tăng lực thành phần hớng kính trong khiđá mài cùn và dính bẩn Nhợc điểm của phơng pháp này là sự không có một

qui luật tăng lực cắt hớng tâm một cách thống nhất ở các điều kiện mài khácnhau, việc xây dựng quan hệ giữa lực PY với các thông số chất lợng bề mặt chitiết gia công khó khăn.

4) Bằng đo lực cắt thành phần tiếp tuyến PZ.

Đo đại lợng lực cắt tiếp tuyến Pz đặc trng cho khả năng cắt của mài Việcđo đợc tiến hành nhờ các thiết bị đo lực đặc biệt (điện áp, cảm ứng, điện dung,đo biến dạng v.v )

Phân tích sự thay đổi của lực Pz khi mài liên tục chỉ ra rằng có thể lấy sựbiến thiên của Pz làm chỉ tiêu để xác định tuổi bền của đá mài Tuy nhiênkhông có một quy luật cố định về sự biến đổi của PZ theo độ mòn của đá Tuỳthuộc vào điều kiện cụ thể vào các điều kiện mài mà lực Pz có thể đợc tănglên, không thay đổi trong thời kỳ vững chắc và thậm chí bị giảm xuống [83]

5) Bằng đo tốc độ bóc kim loại trong quá trình mài.

Việc xác định tuổi bền của đá mài đợc tiến hành bằng đo tốc độ bóc kimloại trong một đơn vị thời gian làm việc Cơ sở của phơng pháp này là hiện t-ợng tăng lực cắt hớng kính Py cùng với sự cùn của đá mài đã mô tả ở trên.

Chủ yếu, việc nghiên cứu tốc độ bóc kim loại đợc tiến hành trên máyhiện đại hoặc trên các thiết bị đặc biệt cho phép thực hiện áp lực không đổigiữa đá mài và chi tiết [19] Trong trờng hợp này việc giảm tốc độ bóc kimloại phản ánh sự xấu đi khả năng cắt của đá mài Khi giảm tốc độ bóc kim loạiQ xuống 40  50 % Kh Kenzaev đã nhận đợc giới hạn độ bền của đá mài,thực tế thời điểm này xảy ra ở các điều kiện mài bất kỳ qua 10  15 phút làmviệc.

6) Bằng đo nhiệt cắt của mài.

Nó dựa trên cơ sở đo nhiệt độ mài đặc trng cho chất lợng bề mặt mài vànhiệt mài tăng lên cùng với sự cùn của đá mài Song việc đo nhiệt độ trongquá trình mài là phức tạp mà ngày nay vẫn cha đợc sử dụng trong thực tế sảnxuất.

Không thể sử dụng phơng pháp xác định tuổi bền đá mài theo mức độ ồngây ra bởi rung động ở vùng cắt bởi vì phải tách âm thanh đặc trng xuất hiệnkhi cùn đá mài nhờ các dụng cụ phức tạp, không chính xác, mặc dù các ý tởngđã đợc tiến hành bằng một số nghiên cứu [4].