1. Hạt mài, 2 Chất kết dớnh, 3 Khoảng trống
1.5. TèNH HèNH NGHIấN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
Mài đó đƣợc con ngƣời sử dụng từ rất lõu. Những ngƣời Ai cập cổ đó sử dụng mài để gia cụng kim loại từ những năm 2000 trƣớc cụng nguyờn bằng những viờn đỏ đƣợc đẽo gọt từ cỏt kết tủa. Năm 1891 cỏc nhà hoỏ học đó tổng hợp đƣợc cỏc bớt silic. Năm 1901 cỏc nhà mỏy của Anh, Phỏp, Đức bắt đầu sản xuất ra Cụranhđụng thƣờng. Năm 1910 Cụranhđụng điện trắng đƣợc tổng hợp. Nhƣng một phỏt minh quan trọng, thực sự làm thay đổi cụng nghệ mài đú là phỏt minh ra chất dớnh kết thu tinh của hóng Norton vào năm 1920. Đến năm 1923 thỡ chất dớnh kết Bakelớt cũng đó đƣợc tổng hợp và đƣa vào sử dụng. Để đỏp ứng nhu cầu sử dụng cỏc loại vật liệu mài cú độ cứng ngày càng cao và khả năng cắt cao đó dẫn tới việc phỏt minh ra đỏ mài kim cƣơng với chất dớnh kết kim loại vào năm 1940. Năm 1951 cụng ty General Electric đó tổng hợp đƣợc Nitrit Bo lập thể, một loại vật liệu mài cú độ cứng tƣơng đƣơng kim cƣơng nhƣng cú ƣu điểm hơn hẳn do chỳng khụng bị Graphớt hoỏ ở nhiệt độ cao.
Do vị trớ quan trọng của cụng nghệ mài trong cỏc quỏ trỡnh gia cụng cắt gọt, nờn ngay từ khi khoa học cụng nghệ chế tạo mỏy mới bắt đầu hỡnh thành, cỏc nhà cụng nghệ đó đặc biệt chỳ trọng tới việc nghiờn cứu hoàn thiện phƣơng phỏp mài. Cỏc mỏy mài ngày càng đƣợc hoàn thiện, chất lƣợng đỏ mài ngày càng cao, phƣơng phỏp mài ngày càng cú vị trớ quan trọng trong cỏc quỏ trỡnh sản xuất cơ khớ.
Từ những năm 1950, một số nhà khoa học hàng đầu về cụng nghệ mài của thế giới nhƣ Maxlốp, Iaserƣsin của Nga, Backer của Mỹ, Brammertz.P, Bruckner. K, Solje.E của Đức, Muller của Anh, Watanabe.K của Nhật đó thực hiện cỏc nghiờn cứu cơ bản nhằm tỡm hiểu bản chất vật lý và cơ chế hỡnh thành bề mặt khi mài. Cỏc nghiờn cứu này cho phộp xõy dựng một loạt cỏc cụng thức thực nghiệm để sử dụng cho cỏc điều kiện gia cụng khỏc nhau. Tuy nhiờn, cỏc kết quả nghiờn cứu trong thời kỳ này cú tớnh ứng dụng thấp, độ chớnh xỏc chƣa cao.
Trong những năm tiếp theo từ 1960 đến 1970, do kỹ thuật điện tử phỏt triển mạnh, dụng cụ đo ngày càng hoàn thiện hơn, nờn cỏc nghiờn cứu về mài đƣợc tiến hành rất rộng và cú chiều sõu. Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu về rung động khi mài của Peters.I ngƣời Anh
vào năm 1966, Takegama.H ngƣời Nhật vào năm 1975 đó cho phộp ghộp nối cơ học ứng dụng với cụng nghệ mài.
Bắt đầu từ những năm 1975 do nhu cầu về cỏc loại vật liệu chịu mũn, cú độ cứng cao tăng nhanh nờn cỏc nghiờn cứu ứng dụng đỏ mài kim cƣơng trong sản xuất đƣợc triển khai tại nhiều nƣớc. Cỏc cụng trỡnh đó cụng bố của cỏc tỏc giả L.L.Misnaộpxki, H.B.Nụvớckốp của Nga, Emerson.G, Malkin của Mỹ, Griffith của Anh, Konig.W của Đức và Yuhta.T; Kobayashi.A của Nhật cho thấy cụng nghệ mài đó chuyển sang một giai đoạn mới với việc sử dụng đỏ mài kim cƣơng cho phộp nõng cao đỏng kể năng suất và độ chớnh xỏc của mài.
Nhƣ chỳng ta đều biết độ chớnh xỏc của mỏy ảnh hƣởng quyết định đến chất lƣợng bề mặt cho nờn trong luận ỏn tiến sĩ của mỡnh JB Bibler [25] của đại học Californa đó nghiờn cứu về độ ổn định và sai số hỡnh học của mỏy mài chớnh xỏc. Dụng cụ cắt khi mài cũng đƣợc cỏc nhà khoa học quan tõm nghiờn cứu nhƣ: chiến lƣợc chọn đỏ mài trỡnh bày trong luận ỏn tiến sĩ của Chen, X. [31], vật liệu đỏ mài cũng đƣợc quan tõm nghiờn cứu trong luận ỏn tiến sĩ của Cai ,R. [30] và A. Maryam [22] về dựng đỏ mài kim cƣơng. Ngoài ra cũn cú cỏc luận ỏn tiến sĩ của Qi, H.S. [50] về mụ hỡnh tiếp xỳc giữa đỏ mài và chi tiết gia cụng, tớnh chất của vật liệu mài cũng đƣợc trỡnh bày trong luận ỏn tiến sĩ của Black ,S.C.E. [26].
Một đặc điểm quan trọng khi mài là nhiệt sinh ra rất lớn và ảnh hƣởng đến chất lƣợng mài và đõy cũng là quan tõm của cỏc nhà khoa học. Tỏc giả Changsheng trong luận ỏn tiến sĩ của mỡnh đó nghiờn cứu dũng dung dịch làm nguội và sự truyền nhiệt khi mài, mụ hỡnh hoỏ dự bỏo lƣu lƣợng nhiệt khi mài cũn đƣợc nghiờn cứu trong cỏc luận ỏn tiến sĩ của Lin,X.Z. [42], của Morgan [46] ở Liverpool John Moores University. Để giảm nhiệt khi mài, ngƣời ta đó nghiờn cứu cỏc loại dung dịch tƣới nguội khỏc nhau, luận ỏn tiến sĩ của nghiờn cứu sinh Việt Nam Nguyễn Thỏi Hiền Hoa về phỏt triển phƣơng phỏp tƣới nguội mới khi mài thực hiện ở Đại học Sydney và bảo vệ thành cụng năm 2005 [55]. Tỏc giả I. Zarudi, L.C. Zhang tiến hành khảo sỏt cỏc vấn đề về tƣơng tỏc giữa đỏ mài và phụi trờn bề mặt mài, trong cụng trỡnh nghiờn cứu nhúm tỏc giả đó sử dụng một kớnh hiển vi quang học và một camera CCD để xỏc định độ sõu và độ rộng của vựng nhiệt sinh ra, kết quả nghiờn cứu đó chi ra rằng luồng nhiệt trong quỏ trỡnh mài cú thể đƣợc mụ tả nhƣ một hỡnh tam giỏc cú đỉnh tại cỏc khe tiếp xỳc giữa đỏ mài và phụi, bờn cạnh đú kết quả cũng chi ra sự ảnh hƣởng của chiều sõu cắt đến nhiệt sinh ra là nhỏ, [36].
Về nghiờn cứu cỏc chế độ mài cũng đƣợc nghiờn cứu trong cỏc luận ỏn tiến sĩ của Li [41], trong luận ỏn tiến sĩ của Ebbrell nghiờn cứu phƣơng phỏp chọn chế độ gia cụng và những yờu cầu kỹ thuật khi mài chớnh xỏc [34]. Trong cụng trỡnh nghiờn cứu của Xun Chen, W.Brian Rowe [59] đề cập đến ảnh hƣởng của chế độ sửa đỏ đến lực mài và độ nhỏm bề mặt chi tiết mài, kết quả thớ nghiệm chỉ ra rằng ảnh hƣởng của chiều sõu sửa đỏ đến lực mài lớn hơn cỏc yếu tố khỏc trong quỏ trỡnh sửa đỏ, tuy nhiờn, ảnh hƣởng của chiều sõu sửa đỏ đến độ nhỏm bề mặt lại ớt hơn, cỏc nguyờn nhõn này là do hiện tƣợng mũn đỏ tăng. Trong nghiờn cứu của mỡnh nhúm tỏc giả J.H. Liu, Z.J. Pei đó khảo sỏt lại cỏc nghiờn cứu trƣớc đõy về cơ học mũn đỏ cho cỏc loại đỏ mài truyền thống khi mài kim loại, đỏ mài kim cƣơng khi mài gốm, nhằm cung cấp một tiờu chuẩn cho việc nghiờn cứu cơ học mũn
đỏ, cỏc phƣơng phỏp đo lƣờng, cỏc mụ hỡnh để nghiờn cứu quỏ trỡnh mài mũn và khả năng ứng dụng để từ đú mở rộng chỳng cho mài silicon [38]. Cụng trỡnh nghiờn cứu của nhúm tỏc giả A. Di Ilio, A. Paoletti, D. D‟Addona về mụ hỡnh quan hệ giữa lực cắt thành phần và độ nhỏm bề mặt chi tiết gia cụng, cỏc mụ hỡnh đạt đƣợc cú thể đƣợc ỏp dụng để dự đoỏn ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt chi tiết trong quỏ trỡnh gia cụng cỏc vật liệu phi truyền thống [21].
Việc ứng dụng cỏc thành tựu trong lĩnh vực cụng nghệ thụng tin và tự động húa đó mang đến những hƣớng nghiờn cứu mới: M. Sedighi, D. Afshari trong cụng trỡnh nghiờn cứu đó sử dụng phƣơng phỏp trớ tuệ nhõn tạo mạng nơron vào việc xỏc định mối quan hệ thực nghiệm [45], cỏc tỏc giả R.Saravanan, P.Asokan, M.Sachidanandam đó sử dụng giải thuật di truyền trong bài toỏn tối ƣu húa quỏ trỡnh mài phẳng [52] hay Vishnupad. P, Shin. Y C đó sử dụng mạng logic mờ giải bài toỏn tối ƣu húa quỏ trỡnh mài [56].
Việc nghiờn cứu hỡnh dạng hỡnh học Topography bề mặt đƣợc nhiều nhà khoa học quan tõm trong giai đoạn hiện nay:
+ Cụng trỡnh nghiờn cứu của H. Ramasawmy, L. Blunt [35] mụ tả tiến trỡnh nghiờn cứu ảnh hƣởng của cỏc chất điện phõn khỏc nhau trong quỏ trỡnh đỏnh búng điện húa bề mặt EDM, bài bỏo chỉ ra những hạn chế của việc sử dụng phƣơng phỏp đỏnh búng lũng khuụn bằng tay sau khi gia cụng điện cực EDM, thay vào đú là thực hiện việc gia cụng EDM và ECM trờn cựng một mỏy, bài bỏo cũng đó giới thiệu bộ thụng số đặc trƣng cho topography. + Cụng trỡnh nghiờn cứu của David L.Butler, John A.Webster, Liam A.Blunt, Ken J.Stout [33] nghiờn cứu topography đỏ mài, đề tài cũng đó chỉ ra rằng topography của bề mặt đỏ mài đƣợc xỏc định bằng hỡnh học thực của đỏ mài và cỏc điều kiện sửa đỏ, topography đƣợc tạo nờn bởi cỏc hạt mài và chất kết dớnh, topography đỏ mài và cỏc thụng số cụng nghệ ảnh hƣởng đến tƣơng quan động học giữa hạt mài và phụi, đề tài cũng đó giới thiệu bộ thụng số 3D topography đỏ mài.
+ Phƣơng phỏp đo topography đỏ mài bằng việc sử dụng ỏp suất thủy động của dung dịch mài đƣợc giới thiệu trong cụng trỡnh nghiờn cứu của Noriyuki Ohguro, Nguyen Trong Hieu and Takashi Nakamura [48], bài bỏo trỡnh bày phƣơng phỏp đo topography đỏ mài trong quỏ trỡnh gia cụng ở điều kiện cú sử dụng dung dịch mài, từ đú quan hệ giữa topography và ỏp suất trong quỏ trỡnh mài đƣợc thiết lập, sự thay đổi topography của đỏ mài đƣợc xỏc định thụng qua việc đo ỏp suất thủy động của dung dịch mài, những hạn chế của phƣơng phỏp là tốc độ, lƣu lƣợng dũng dung dịch mài, khoảng cỏch giữa mặt đỏ với cảm biến ỏp suất và khụng khớ đều ảnh hƣởng đến ỏp suất thủy động đƣợc đo.
+ Cỏc tỏc giả R. Ohlsson, A. Wihlborg, H. Westberg giới thiệu độ chớnh xỏc của phƣơng phỏp đo nhanh topography [51], bài bỏo nghiờn cứu và so sỏnh phƣơng phỏp đo topography bề mặt giữa phƣơng phỏp truyền thống và phƣơng phỏp mới dựa trờn nguyờn lý giao thoa. Để đỏnh giỏ và phõn tớch sự khỏc nhau giữa hai phƣơng phỏp trờn, một kớnh hiển vi nguyờn tử đó đƣợc sử dụng, kết quả nghiờn cứu cũng chỉ ra rằng, phƣơng phỏp đo giao thoa đụi khi cũng tạo ra những sai lệch quang học gõy ra bởi cỏc vị trớ cú gúc độ khỏc nhau.
+ Cụng trỡnh nghiờn cứu của J. Condecáo , L.H. Christensen , B.-G. Rose´n [37] trỡnh bày quỏ trỡnh thực hiện tự động thay đổi vị trớ đo topography bề mặt 3D dựa trờn một thuật toỏn
đơn giản, thực hiện trờn phần mềm Matlab. Cỏc thụng số bề mặt trƣớc và sau khi hiệu chỉnh đƣợc xỏc định và so sỏnh. Kết quả thớ nghiệm chứng minh rằng phƣơng phỏp cú thể đƣợc sử dụng hiệu quả để đo bề mặt cú độ mũn thấp.
+ Cỏc tỏc giả D.A. Doman, A. Warkentin, R. Bauer trong cụng trỡnh nghiờn cứu của mỡnh đó giới thiệu tổng quan về cỏc mụ hỡnh nghiờn cứu gần đõy về việc tỡm hiểu về topography của đỏ mài. Từ mụ hỡnh 1D, 2D, đến 3D và tiến tới tỡm hiểu xỏc định cỏc thành phần quan trọng của mụ hỡnh 3D. Mụ hỡnh 1D là mụ hỡnh mà khụng thể mụ tả chi tiết hỡnh dạng của bề mặt đỏ, mụ hỡnh 2D, cỏc hạt mài đƣợc biểu diễn cú tớnh hỡnh học cao hơn là theo thực nghiệm. Tiếp theo đú, sự phõn bố kớch thƣớc hạt mài, vị trớ, chiều cao nhấp nhụ và ảnh hƣởng của việc sửa đỏ đó đƣợc nghiờn cứu và làm sang tỏ. Trong mụ hỡnh 3D, khụng chỉ vị trớ cỏc hạt mài mà hỡnh dạng hỡnh học của hạt mài cũng đƣợc mụ tả. Ngoài ra bài bỏo cũn đề cập đến việc giới thiệu một vài mụ hỡnh topography của đỏ mài với đủ cỏc thụng số hạt mài, cỡ hạt, cấu trỳc đỏ và vấn đề sửa đỏ [32].
+ Nhúm tỏc giả L. DĄBROWSKI, M. MARCINIAK đó tiến hành nghiờn cứu bề mặt của đỏ mài, kết quả nghiờn cứu đó chi ra rằng mặt cắt của đỏ và phụi cú thể xem nhƣ bề mặt của một cặp ma sỏt, cỏc đỉnh cao nhất của bề mặt đỏ rất cần thiết cho quỏ trỡnh búc tỏch vật liệu ra khỏi bề mặt chi tiết ra cụng, số lƣợng cỏc đỉnh đƣợc nhúm tỏc giả xỏc định theo lý thuyết mụ hỡnh húa đỏ mài và đó đƣợc chứng minh bằng thực nghiệm, cụng trỡnh nghiờn cứu sử dụng cỏc phƣơng phỏp đo 2D, 3D để đo topography bề mặt đỏ. Kết quả nghiờn cứu cũng đó đỏnh giỏ đƣợc hiệu quả của quỏ trỡnh mài dựa vào khối lƣợng vật liệu kim loại đƣợc hớt đi, [40].
+ Năm 2008 tỏc giả Anh Tuan Nguyen ngƣời Việt Nam và tỏc giả David Lee Butler đó nghiờn cứu topography đỏ mài và cỏc điều kiện gia cụng mài. Kết quả nghiờn cứu đó xỏc định đƣợc quan hệ giữa topography đỏ mài và điều kiện gia cụng mài đƣợc mụ tả bằng cỏc tham số đặc trƣng trờn bề mặt ba chiều, bờn cạnh đú cụng trỡnh nghiờn cứu cũng đó giới thiệu đƣợc bộ thụng số đặc trƣng cho topogarphy đỏ mài mật độ đỉnh, độ nhấp nhụ bỡnh phƣơng, độ nhỏm, độ sắc hạt mài... [24].
+ Năm 2013, trong luận ỏn tiến sĩ của mỡnh tỏc giả Abdalslam Darafon đó nghiờn cứu đo và mụ phỏng sự ảnh hƣởng của topography đỏ mài đến kớch thƣớc hỡnh học trong quỏ trỡnh mài [23]. Đề tài này đƣa ra phƣơng phỏp mới đú là sử dụng sensor vị trớ tỏn xạ nguồn ỏnh sỏng trắng, việc lựa chọn thiết kế vị trớ hệ thống và phần mềm cú thể quột đƣợc toàn bộ bề mặt 3D của đỏ mài với độ chớnh xỏc cấp micro. Phƣơng phỏp này cũng cú thể dựng mụ hỡnh 3D bề mặt topography đỏ mài trƣớc và sau khi sửa đỏ, mụ phỏng lƣợng kim loại đƣợc hớt đi sau mỗi đƣờng cắt và bề mặt đỏ để dự đoỏn bề mặt của chi tiết mài.
Tại Việt nam, Từ những năm 1970 nhiều chuyờn gia nghiờn cứu về mài đó đƣợc đào tạo tại cỏc nƣớc nhƣ: TS. Nguyễn Thế Đạt, GS.TS. Nguyễn Đắc Lộc, GS.TS. Đào Văn Hiệp, TS. Nguyễn Tiến Thọ, TS. Trƣơng Hoành Sơn, TS. Nguyễn Trọng Hiếu...
Trong vài năm trở lại đõy, nhiều đề tài về mài cũng đó đƣợc nghiờn cứu tại Việt Nam nhƣ: TS. Nguyễn Huy Ninh nghiờn cứu phƣơng phỏp đỏnh giỏ tớnh cắt gọt của đỏ mài [6]. Trong cụng trỡnh nghiờn cứu của tỏc giả Trần Minh Đức đó xõy dựng đƣợc cỏc chỉ tiờu để xỏc định tuổi bền của đỏ, xõy dựng đƣợc quan hệ giữa tuổi bền của đỏ mài, cỏc đại lƣợng mũn với chế độ cụng nghệ khi sửa đỏ [18]. Luận ỏn tiến sĩ của tỏc giả Trần Đức Quý
tiến hành nghiờn cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố cụng nghệ đến chất lƣợng bề mặt chi tiết khi mài trũn ngoài, trong cụng trỡnh nghiờn cứu đó xõy dựng đƣợc hàm toỏn học mụ tả một số mối quan hệ khi mài trũn ngoài thộp 45, đú là cỏc hàm quan hệ giữa độ nhỏm Ra, tuổi bền của đỏ mài T và lực cắt P với cỏc thụng số chế độ cắt [16]. Khi nghiờn cứu về quỏ trỡnh mài phẳng thộp 45, TS.Hoàng Văn Điện đó xõy dựng đƣợc hàm toỏn học mụ tả cỏc mối quan hệ giữa độ mũn, lực cắt và độ nhỏm bề mặt với chế độ cắt [2]. Tỏc giả Phựng Xuõn Sơn đó thiết lập đƣợc cỏc mối quan hệ của rung động với chế độ cắt, độ nhỏm, lực cắt và thời gian mài trong quỏ trỡnh mài phẳng thộp 45, [12].
Phõn tớch cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu đó thực hiện cho thấy tớnh đa dạng của cỏc nghiờn cứu về mài, hầu hết cỏc cụng trỡnh này đều đƣợc thực hiện theo một số hƣớng chớnh sau:
- Cỏc nghiờn cứu tiếp tục tỡm hiểu bản chất vật lý của cỏc hiện tƣợng xảy ra khi mài nhƣ lực cắt, nhiệt cắt, rung động, mũn đỏ...Nghiờn cứu cỏc ảnh hƣởng của cỏc thụng số chế độ cắt, chế độ sửa đỏ đến chất lƣợng bề mặt chi tiết mài, đến tuổi bền của đỏ.
- Nghiờn cứu cỏc phƣơng phỏp đo topography và mụ hỡnh đo topography đỏ mài, nghiờn cứu cỏc ảnh hƣởng của cấu trỳc đỏ, chế độ sửa đỏ đến topography đỏ mài. Nghiờn cứu và mụ phỏng sự ảnh hƣởng của topography đỏ đến hỡnh học bề mặt chi tiết mài.
- Nghiờn cứu chế tạo cỏc loại đỏ mài từ vật liệu mới cú độ cứng và khả năng cắt cao. Nõng cao chất lƣợng chế tạo đỏ mài, hoàn thiện kết cấu của đỏ, nõng cao vận tốc cắt khi mài. - Ứng dụng cụng nghệ thụng tin trong việc nghiờn cứu đo topography đỏ mài, thiết lập cỏc mụ hỡnh tối ƣu húa quỏ trỡnh mài hƣớng tới thực hiện điều khiển quỏ trỡnh mài theo nguyờn
