1. 3 Mục đích đề tài
2.1.1. chính xác khi mài
Độ chính xác khi mài được hiểu là mức độ phù hợp của chi tiết gia công với chi tiết thiết kế. Khi mài phẳng, độ không song song và độ không phẳng là hai chỉ tiêu quan trọng nhất, đặc trưng cho độ chính xác của quá trình mài phẳng. Các yếu tố trên có thể
phân thành hai nhóm chính như sau:
a. Nhóm các nguyên nhân do trang thiết bị gây nên:
- Độ không song song và độ không phẳng của bàn gá so với phương chuyển động của bàn máy.
- Độ không ổn định của đường tâm trục chính trong quá trình gia công. - Độ không êm của các dịch chuyển nhỏ.
b. Nhóm các yếu tố phụ thuộc vào điều kiện mài:
Nhóm này chỉ xuất hiện trong quá trình gia công bao gồm:
- Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt. Nhiệt cắt sẽ gây ra các biến dạng làm sai lệch vị
trí không gian ban đầu của các cụm chi tiết và chi tiết trên máy, gây ra sai số vị trí tương quan giữa đá mài với chi tiết.
27
- Ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi do lực cắt gây ra. - Ảnh hưởng của các sai số do nguyên công trước để lại. - Hiện tượng phoi bám trên bề mặt hạt mài...
Ngoài các sai số vừa nêu trên, độ chính xác khi mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố
khác nữa như mức độ hợp lý của cặp vật liệu đá – chi tiết, chế độ sửa đá, điều kiện mài...
2.1.2. Chất lượng bề mặt vật mài khi mài phẳng.
Chất lượng bề mặt vật mài được đánh giá bằng hai nhóm chỉ tiêu cơ bản sau:
- Nhóm các chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất hình học của bề mặt như độ sóng, độ
nhám...
- Nhóm các chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất cơ lý của bề mặt gia công nhưứng suất dư, vết nứt tế vi, vết cháy... Nội dung đề tài nghiên cứu thông số rất quan trọng đến chất lượng bề mặt vật mài là nhám bề mặt.
2.1.2.1. Độ sóng bề mặt.
Độ sóng bề mặt do hai nguyên nhân chính (do các dao động theo phương vuông góc với bề mặt gia công và do sai số hình dáng của đá như độ ôvan, độ không tròn...) gây ra. Cả hai nguyên nhân này đều làm thay đổi quỹ đạo chuyển động tương đối của
đường sinh cắt trên bề mặt làm việc của đá mài theo phương vuông góc với bề mặt gia công. Ngoài ra, các yếu tố khác như biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, độ không đồng nhất của vật liệu gia công... cũng làm xuất hiện sóng. Độ sóng được phân biệt với độ
nhám bởi chiều dài bước. Thường độ dài bước của sóng có giá trị lớn hơn 8 đến 10 lần
độ dài bước của độ nhám.
Nguyên nhân chính gây ra dao động của đá mài theo phương vuông góc với bề mặt gia công là do hệ thống đá – trục gá đá mài không cân bằng, do các dao động cưỡng bức và tự rung của máy xuất hiện khi đá mài bị mòn.
28
Biên độ và tần số của sóng trên bề mặt vật mài phụ thuộc vào biên độ và tần số của dao động tương đối của đá mài so với bề mặt gia công, hình dáng và kích thước của chi tiết, kích thước và độ chính xác hình dáng của đá mài, số lần và độ lệch pha của các hành trình đá mài đi qua chi tiết. Cũng nhưđộ nhám bề mặt, các yếu tốảnh hưởng đến
độ sóng bề mặt cũng gồm hai nhóm nguyên nhân, nhóm phụ thuộc vào điều kiện gia công và nhóm phụ thuộc vào tình trạng thiết bị. Cả hai nhóm này có quan hệ rất chặt chẽ với đặc tính mòn và tuổi bền của đá. Do đó, đặc tính mòn và tuổi bền của đá có ảnh hưởng lớn đến độ sóng bề mặt.
2.1.2.2. Tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt.
Như đã trình bày trong phần trước, các tính chất đặc trưng cho tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt, các biến đổi cấu trúc mạng, ứng suất dư và khả năng xuất hiện vết cháy, vết nứt tế vi...
Với các loại vật liệu mềm, chưa qua nhiệt luyện như các loại thép cacbon, thép hợp kim chưa qua nhiệt luyện, thép không gỉ, đồng, nhôm... sau khi mài có một lớp kim loại rất mỏng (khoảng 0,002 – 0,02 mm), bị nung nóng và biến dạng dẻo. Trong quá trình mài phẳng, do mức độ biến dạng dẻo tại các điểm khác nhau cũng như tại các chiều sâu khác nhau không giống nhau và do các thay đổi cấu trúc, trên bề mặt vật mài sẽ xuất hiện ứng suất dư. Cơ chế hình thành của ứng suất dư rất phức tạp. Ta thấy rằng,
độ lớn của ứng suất dư phụ thuộc vào lực cắt, nhiệt cắt, chếđộ cắt, điều kiện mài và cơ
tính của vật liệu gia công. Khi chiều sâu cắt tăng, nhiệt cắt trong vùng gia công và chiều sâu lớp kim loại bị biến dẻo tăng, ứng suất kéo cũng tăng theo. Khi lượng chạy dao tăng, trên lớp kim loại bề mặt xuất hiện ứng suất dư nén.
Với vật liệu đã qua nhiệt luyện, nhiệt độ mài thường vượt quá 800 – 8500C, do đó, có thể xảy ra hiện tượng ram mactenxit, đôi khi xuất hiện quá trình tôi lần hai, gây ra các biến đổi cấu trúc mạng, làm xuất hiện ứng suất dư. Nếu các ứng suất này lớn hơn giá trị sức bền hiện thời của vật liệu, sẽ xuất hiện vết nứt. Khi mài vật liệu đã qua nhiệt
29
luyện, do nhiệt độ mài rất cao, nên dễ xuất hiện khả năng cháy và nứt của lớp kim loại bề mặt.
Vết cháy khi mài là hiện tượng biến đổi cục bộ của lớp kim loại bề mặt dưới tác
động của nhiệt độ cao tức thời và cường độ tỏa nhiệt lớn trên một diện tích nhỏ của bề
mặt chi tiết gia công. Vết cháy bao giờ cũng đi kèm với các vết nứt tế vi. Do vậy, khả
năng chịu mòn của các bề mặt bị nứt và cháy giảm. 2.1.2.3. Độ nhám bề mặt.
Trong quá trình mài phẳng, các hạt mài sẽ cào xát vào bề mặt gia công để tách ra một lớp phoi mỏng. Do số lượng các hạt mài rất lớn, phân bố của chúng không theo quy luật nhất định, chiều cao nhô ra khỏi chất dính kết của chúng không giống nhau, nên vết gia công trên bề mặt vật mài là tập hợp của nhiều vết gia công do các hạt mài
đơn lẻ tạo ra. Độ nhám bề mặt gia công phụ thuộc vào các thông số hình học và tính chất của hạt mài, mức độ biến dạng dẻo của vật liệu gia công, rung động của hệ thống công nghệ, chếđộ mài và chếđộ sửa đá...
Độ nhám bề mặt sẽđược trình bày chi tiết hơn ở phần tiếp theo. 2.2. Động học hình thành nhám bề mặt khi mài phẳng. 2.2.1. Định nghĩa.
Nhám bề mặt là tập hợp các nhấp nhô bề mặt chi tiết sau khi gia công.
Khi mài, nhám bề mặt từ 0,2 – 3,2 µm. Chiều dài chuẩn để xác định nhám là 0,8 mm, nhám dọc bề mặt thường lớn hơn hướng ngang.
30
Hình 2.1: Mô hình nhám bề mặt chi tiết
2.2.2. Động học hình thành nhám.
Nhám bề mặt khi mài được hình thành tương tự các quá trình gia công bằng cắt gọt, động học quá trình hình thành nhám bề mặt lý tưởng khi mài phẳng bằng mặt trụ đá (hình 2.2) tương tự quá trình hình thành nhám bề mặt chi tiết khi phay mặt phẳng bằng dao phay trụ. Song quá trình mài có những đặc điểm riêng như quá trình cắt khi mài diễn ra ở mức độ tế vi của các hạt mài có hình dạng và kích thước không giống nhau (có thể coi là các lưỡi cắt rất nhỏ) vì vậy có thể coi nó gần với quá quá trình cào xước của các hạt mài lên bề mặt chi tiết gia công. Bề mặt chi tiết hình thành là kết quả
31
Hình 2.2: Biên dạng bề mặt dọc lý tưởng khi mài
Nhám bề mặt chi tiết khi mài rất nhỏ do mỗi tiết diện bề mặt chi tiết mài là sự
chồng chất của rất nhiều các vết cắt bởi các hạt mài. Trong trường hợp này, trên bề mặt
đá mài xuất hiện các rãnh mài.
Hình 2.3: Biên dạng nhám lý tưởng qua hướng mài được tạo bởi các biên dạng cắt liên tiếp của đá mài
Nhám bề mặt khi mài như hình 2.2 và hình 2.3 nhỏ hơn nhám thực rất nhiều. Sự
khác nhau là do các yêu tố của quá trình cắt như:
- Sự chảy dẻo của vật liệu lan sang các điểm nhấp nhô tế vi. - Rung động của hệ thống khi gia công.
- Ma sát ở bề mặt sau dao với bề mặt gia công. - Nhiệt cắt.
- Sự không cắt hết của quá trình mài. - Tính chất cơ lý của vật liệu gia công. - Độ răng cưa tế vi của lưỡi cắt.
32
- Ngoài ra, khi gia công vật liệu dẻo nếu cắt ở vùng tốc độ có xuất hiện lẹo dao thì nhấp nhô bề mặt sẽ tăng lên do sự xuất hiện và biến mất của lẹo dao. 2.3. Lực cắt và năng lượng cắt riêng khi mài.
2.3.1. Tương tác trong vùng mài
Để hiểu rõ bản chất của quá trình mài, cần phải phân tích quá trình tạo phoi khi mài, vì đây là cơ sở, là nguồn gốc của các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt như biến dạng, lực cắt, nhiệt cắt,… Để khảo sát được vấn đề này cần phải mô hình hóa quá trình cắt bằng hạt mài. Có nhiều mô hình đã được đưa ra, trong đó có mô hình dưới
đây:
Hình 2.4: Mô hình hóa quá trình cắt của hạt mài
a. Quá trình cắt lý tưởng; b. Quá trình cắt thực tế; c. Quá trình cắt khi tiện bằng dao kim cương; d. Quá trình cắt của hạt mài.
Như đã phân tích ở trên, mài là một quá trình rất phức tạp, các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt phụ thuộc lớn vào tương tác giữa các hạt mài, giữa đá mài với vật liệu gia công (phôi). Có thể thấy rõ các tương tác đó trong quá trình cắt bằng hạt mài như hình sau:
33
Hình 2.5 Tương tác giữa hạt mài và vật liệu gia công
a. Hạt mài cắt vào phôi; b. Hạt mài cày lên phôi; c. Hạt mài trượt trên phôi; d. Phoi trượt và ma sát với chất dính kết; e. Phoi trượt và ma sát với phôi; f. Chất dính kết trượt và ma sát với
phôi.
Trong bất kỳ quá trình mài nào đều xuất hiện bốn tương tác sau: - Tương tác giữa hạt mài và phôi.
- Tương tác giữa phoi và chất kết dính. - Tương tác giữa phoi và phôi.
- Tương tác giữa chất kết dính và phôi.
Trong đó, tương tác giữa hạt mài và phôi là quan trọng nhất, có ảnh hưởng tới toàn bộ các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình gia công (hình 2.4). Tương tác giữa hạt mài và phôi bao gồm 3 hiện tượng (hình 2.5): cắt (cutting) – tạo ra bề mặt gia công, cày (ploughing) và trượt (rubbing) - ảnh hưởng tới các đặc trưng của bề mặt vừa được hình thành (Hiện tượng cày và trượt trong vùng mài còn được gọi là Tribology). Các tương tác này đều có thểđược kiểm soát và điều khiển thông qua các thông số như lực cắt, công suất cắt và nhiệt cắt. Trong quá trình mài, mong muốn công để cắt là lớn nhất, công tiêu hao cho hiện tượng “cày” và trượt là nhỏ nhất:
34
- Giảm thiểu công tiêu hao cho hiện tượng “cày” của hạt mài lên phôi (hình 2.5b) liên quan đến việc lựa chọn tính chất của hạt mài và vật liệu gia công, hình dạng và kích thước của hạt mài, chiều dày phoi hợp lý.
- Công tiêu hao cho hiện tượng trượt giữa hạt mài và phôi (hình 2.5c) nhỏ nhất khi tăng tính tự mài sắc của hạt mài và của đá mài.
- Hiện tượng trượt giữa phoi và chất kết dính (hình 2.5d) là nhỏ nhất khi lựa chọn cặp vật liệu chất kết dính và vật liệu gia công phù hợp. Thay dung dịch làm nguội, tăng
độ xốp của đá mài, sử dụng thêm dung dịch bôi trơn cũng làm giảm hiện tượng này. - Giảm hiện tượng trượt giữa phoi và chất kết dính cũng làm giảm đồng thời hiện tượng trượt giữa phôi và chất kết dính (hình 2.5e). Trong thực tế, hai hiện tượng này thường bị bỏ qua, không được quan tâm, điều đó dẫn đến lực cắt lớn, đá mòn nhanh và chất lượng bề mặt gia công không cao.
- Hiện tượng trượt giữa chất dính kết và phôi (hình 2.5f) nhỏ nhất khi số lượng lỗ
trống trên bề mặt đá nhiều nhất (cấu trúc đá xốp nhất) hoặc khi sử dụng chất dính kết gốm. Tuy nhiên, hiện tượng trượt được nhận thấy rõ rệt nhất khi sử dụng đá mài với chất kết dính kim loại. Hiện tượng trượt và ma sát giữa phôi với chất kết dính trở nên khốc liệt nhất khi sử dụng đá mài hạt nhỏ, khi đó khoảng cách giữa bề mặt phôi và chất kết dính rất nhỏ.
Cơ chế cắt và tribology sẽảnh hưởng tới chất lượng bề mặt gia công, biến dạng của vật liệu lớp bề mặt hoặc sự chuyển hóa từ cơ năng thành nhiệt. Khi cơ chế cắt là lớn nhất và tribology là nhỏ nhất thì khi đó lực mài và nhiệt mài sẽ nhỏ nhất. Dung dịch làm nguội sẽ giảm năng lượng nhiệt và làm giảm nhiệt truyền vào phôi.
Tất cả các hiện tượng trên đều đúng với mọi quá trình mài, mà không phụ thuộc vào vật liệu gia công. Trong bất kì quá trình mài nào cũng xảy ra đồng thời các hiện tượng
đó. Do vậy, khoa học về mài cần phải nghiên cứu sự ảnh hưởng đồng thời của cả bốn thông sốđầu vào: các yếu tố về máy công cụ, các yếu tố về vật liệu gia công, các yếu
35
tố về đá mài và các thông số công nghệ của quá trình. Mục đích là để điều khiển sao cho cơ chế cắt là lớn nhất, giảm thiểu cơ chế tribology, nhằm giảm lực và nhiệt cắt. 2.3.2. Lực cắt khi mài.
Lực mài là một thông số xuất hiện trong quá trình mài. Lực mài ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng của hệ thống công nghệ, gây nhiệt độ cao trên chi tiết, dụng cụ cắt và các cơ cấu của máy làm ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Lực mài là một yếu tố quyết định đến năng suất gia công và chất lượng quá trình mài. Tuy nhiên, xác định lực mài ngay trong quá trình cắt là một bài toán khá phức tạp. Do đó, xây dựng phương pháp xác định lực mài và chế tạo các thiết bị đo lực tin cậy và chính xác có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình mài.
Do vai trò quan trọng như vậy nên trong công nghệ truyền thống cũng như trong công nghệ tựđộng hóa hiện đại, người ta luôn tìm cách kiểm soát lực cắt bằng các biện pháp trực tiếp hoặc gián tiếp. Trong các mô hình tối ưu hóa chếđộ công nghệ và trong các hệ thống điều khiển thích nghi luôn có mặt lực cắt hoặc các đại lượng dẫn xuất của nó. Nếu mô hình nào khống chế một đại lượng thì đại lượng đó chắc chắn là lực cắt. 2.3.3. Năng lượng cắt riêng.
Quá trình mài gây ra lực giữa đá mài và phôi. Với các nguyên công mài chày dao hướng kính (hình 2.6), vectơ tổng hợp lực do phôi tác dụng lên đá mài có thể phân tích thành các thành phần lực tiếp tuyến Ft và thành phần lực pháp tuyến Fn. Đối với mài chạy dao dọc phải thêm một thành phần lực phụ nữa có phương song song với trục đá mài.
36
Hình 2.6: Sơđồ mài mặt phẳng và mặt trụ ngoài
Mối liên hệ công mài P với các lực thành phần trong hình 2.6 có thể viết dưới dạng: P = Ft(vs ± vw) (2.1) Dấu “+” biểu thị mài ngược, trong đó vận tốc phôi vw và vận tốc đá mài vs ngược chiều nhau tại khu vực mài (hình 2.6); dấu “ - ” biểu thị mài thuận, hai vận tốc cùng
37
chiều. Vì vw thường có giá trị rất nhỏ so với vs nên công suất tổng cộng có thể viết đơn giản như sau:
P = Ft.vs (2.2) Mối quan hệ này đúng cho hầu hết các trường hợp mài. Các thành phần công suất