1. 3 Mục đích đề tài
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 phụ khác liên quan tới lượng ăn dao và vận tốc chạy ngang thường bị bỏ qua. Khi mài với chiều sâu lớn, như mài Creep-feed, thành phần lực tiếp tuyến với đá mài trong công thức (2.1) phải được tính toán tại điểm mà đường tác dụng của lực tổng hợp cắt vùng mài.
Một thông số cơ bản được suy ra từ công và điều kiện gia công là năng lượng riêng. Năng lượng riêng là năng lượng trên một đơn vị thể tích bóc kim loại (thông số
này giống như công suất riêng – công trên một đơn vị tỉ lệ bóc theo thể tích). Năng lượng riêng trong mài được tính theo công thức:
u = P/Qw (2.3) Tử số là công (công thức (2.1)), mẫu số là Qw là tỷ lệ cắt thể tích được cho dưới dạng các thông số mài trong hình 2.6:
Qw = vwab = πdwvtb (2.4) Trong đó b là bề rộng mài.
Năng lượng riêng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng ở chỗ bất kỳ có chế tương tác kim loại – hạt mài nào cũng liên quan đến độ lớn của nó và phụ thuộc vào các thông số gia công nhưđã trình bày ở trên.
Nó cũng có tác dụng trong việc ước công suất máy. Trong hệđơn vị SI, năng lượng riêng có đơn vị (J/mm3), trong trường hợp này, nhân với tỷ lệ bóc kim loại (mm3/giây) sẽ cho công suất đo bằng (watts).
38
Nhám bề mặt được tạo thành từ rất nhiều các vết cắt, vì vậy nhám mang tính ngẫu nhiên, chúng phụ thuộc vào sự phân bố của các hạt mài trên đá mài, vào quá trình động học và mức độ biến dạng dẻo khi cắt...theo một số tác giả, nhám bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào vật liệu hạt mài và các đặc tính của đá. - Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào chếđộ cắt.
- Độ nhám bề mặt có xu hướng tăng dần theo thời gian tuổi bền. - Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện gia công.
- Nhám phụ thuộc vào chế độ và kết cấu sửa đá. Nếu chếđộ sửa đá phù hợp, có thể nâng độ bóng lên cao hơn 1 đến 2 cấp ở cùng điều kiện gia công (theo Jaserưxin “Mài kim loại” ).
- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào trạng thái máy và rung động của nó. Rung động là nguyên nhân chính làm cho đá mòn không đều, khả năng tại các điểm khác nhau không giống nhau, điều này cũng gây ra hiện tượng giảm độ bóng (theo Philipmonốp “Tuổi bền đá mài” ).
- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào quá trình tưới nguội. Khi mài có tưới nguội thì nhám giảm so với không có tưới nguội.
2.4.1. Ảnh hưởng của đặc tính đá mài. a. Ảnh hưởng của hình học hạt mài
Trong hình 2.7 nêu lên ảnh hưởng của một số yếu tố của hình học hạt mài đến nhám bề mặt: o Ra o Ra o Ra ϕ α γ Hình 2.7: Ảnh hưởng của hình học hạt mài đến nhám bề mặt
39
Hình học hạt mài chủ yếu phụ thuộc vào loại vật liệu hạt mài, khi các hạt mài có nhiều cạnh cắt thì khả năng cắt càng tốt, khi đá bị mòn sẽ tạo ra nhiều lưỡi cắt mới. Khi tăng góc nghiêng chính của lưỡi cắt, nhám bề mặt chi tiết tăng. Khi tăng góc trước và góc sau của lưỡi cắt thì nhám bề mặt giảm. Tuy nhiên khi mài việc xác định góc độ của hạt mài là không thể và nó hoàn toàn phụ thuộc vào loại hạt mài, độ lớn hạt mài.
b. Ảnh hưởng của độ hạt.
Độ hạt là một trong số các yếu tố rất quan trọng, nó ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề
mặt chi tiết mài. Khi độ hạt của đá mài tăng thì nhám bề mặt chi tiết tăng. Bằng các thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đưa ra công thức biểu diễn mối quan hệ giữa nhám bề mặt với độ hạt trong các điều kiện xác định như sau:
Ra = C.dα (2.5) Trong đó: d – là độ hạt của đá mài; µm.
C và α là các hệ số thực nghiệm khi xét đến ảnh hưởng của các yếu tố
của quá trình cắt, α = 0,5 – 0,7.
40 c. Ảnh hưởng của độ cứng đá.
Ảnh hưởng của độ cứng của đá được mô tả trên hình 2.9, khi tăng độ cứng của đá thì nhám bề mặt tăng. Theo K. Vatanabe – Nhật Bản, quan hệ giữa độ cứng của đá với nhám bề mặt như sau:
Ra = Cm−(0,5 2)÷ .Hk−(0,5 1)÷ (2.6) Trong đó : Hk – Là độ cứng của đá.
Cm – Là cấu trúc của đá.
Hình 2.9: Ảnh hưởng của độ cứng đá đến nhám bề mặt khi mài
d. Ảnh hưởng của loại vật liệu hạt mài và chất kết dính.
41
Hình 2.10: Ảnh hưởng của loại vật liệu chất kết dinh (đường 1) và vật liệu hạt mài (đường 2 và 3) đến nhám bề mặt khi mài
2.4.2. Ảnh hưởng của chế độ cắt. a. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t.
Các kết quả thực nghiệm trên hình 2.11 đã chỉ ra rằng, khi tăng chiều sâu cắt thì nhám bề mặt chi tiết tăng lên. Điều này hoàn toàn khác với các kết quả tính toán nhám bề mặt lý tưởng, vì khi đó kết quả đều cho rằng chiều sâu mài không ảnh hưởng đến nhám bề mặt chi tiết.
Ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới nhám bề mặt chi tiết mài không lớn bằng ảnh hưởng của lượng tiến. Vì vậy, để tăng năng suất mà không làm giảm độ bóng bề mặt ta có thể tăng chiều sâu cắt và giảm lượng tiến.
42
Hình 2.11: Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t
b.Ảnh hưởng của lượng chạy dao Sn
Theo các kết quả thực nghiệm đều thấy khi tăng lượng tiến đá ngang làm tăng nhám bề mặt vật mài (hình 2.12). Từ đó ta thấy với cùng chiều sâu cắt t, v; khi tăng lượng tiến dao Sn thì nhám bề mặt tăng.
43 c.Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết.
Trên hình 2.13 ta thấy khi tăng vận tốc tiến chi tiết, nhám bề mặt tăng lên. Nguyên nhân của vấn đề là khi tiến nhanh, số lượng vết cắt qua một tiết diện vật mài giảm xuống, biến dạng của chi tiết tăng và thời gian cắt giảm làm cho các hạt mài không cắt hết phần vật liệu dư.
Hình 2.13: Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt khi mài
d. Ảnh hưởng của vận tốc cắt của đá.
Nếu xét ảnh hưởng của vận tốc cắt của đá mài tới nhám bề mặt chi tiết khi mài, các nhà nghiên cứu đã đưa ra được mô hình như trên hình 2.14. Khi tăng vận tốc cắt của đá mài thì nhám bề mặt chi tiết có quan hệ phức tạp. Ban đầu nhám bề mặt chi tiết giảm, sau đó nhám tăng lên vì khi tăng vận tốc đá quá cao thì rung động, dao động của cụm trục chính tăng lên, độ cứng vững của hệ thống công nghệ giảm xuống. Để khảo sát
ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt, có thể coi khi tăng vận tốc cắt thì nhám bề
mặt giảm vì ở dải vận tốc Vđá = 15 – 35 m/phút như trên đồ thị là vận tốc cắt của hầu hết các máy mài phẳng. Qua đó các nhà nghiên cứu đã đưa ra công thức liên hệ giữa nhám bề mặt với vận tốc cắt có dạng như sau:
44
Ra = C.Vđ−aα' (2.7) Trong đó C là hệ số khi xét đến ảnh hưởng của các yếu tố khác của quá trình cắt, C = 0,7 – 0,8.
Vđá là vận tốc của đá mài
Hình 2.14: Ảnh hưởng của lượng tiến dao dọc tới nhám bề mặt
2.4.3. Ảnh hưởng của thời gian mài hết hoa lửa
Trên hình 2.15 mô tả ảnh hưởng của số lần mài hết hoa lửa đến nhám bề mặt chi tiết. Khi số lần mài hết hoa lửa tăng thì chiều cao nhám bề mặt chi tiết giảm. Sơ đồ
hình 2.15b thấy rõ là khi số vết cắt tăng so với hình 2.15a thì chiều cao nhám giảm xuống. Các kết quả thực nghiệm cũng đã chỉ ra như ở hình 2.15c. Từ đồ thị 2.16 ta thấy với cùng một chiều sâu cắt t, số hành trình cắt lần lượt là 1, 2, 3, 4 và 5, thì giá trị
45
Hình 2.16: Ảnh hưởng của số lần mài hết hoa lửa nguyên lý (a) và bằng kết quả thực nghiệm (b)
Hình 2.17: Ảnh hưởng của số hành trình mài hết hoa lửa (1,2,3,4 và 5 hành trình cắt) tới nhám bề mặt
Quá trình mài còn có một đặc điểm rất riêng so với các quá trình gia công khác là tính không cắt hết lượng dư của nó trong một lần cắt do khi mài thường có tốc độ cao, nhiệt mài rất lớn trong khi chiều sâu cắt rất nhỏ, ở điều kiện cắt gọt như vậy các lưỡi cắt không làm việc giống như các dụng cụ cắt mà nó có cả quá trình trượt xảy ra làm
46
biến dạng lớp lượng dư lớn. Thường thì mài tùy theo độ cứng, độ bền và tính cắt của loại vật liệu gia công... mà ta phải cho bàn máy chạy đi chạy lại một số hành trình nhất