1. 3 Mục đích đề tài
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt khi mài phẳng
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
R
ao
R
ao
R
a ϕ α γ Hình 2.7: Ảnh hưởng của hình học hạt mài đến nhám bề mặt39
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
định (tương ứng với thời gian mài hết hoa lửa) cho đến khi không còn hoa lửa phát ra thì mới dừng và khi đó đá mới thực sự cắt hết lượng dư.
Với một lưu ý là các hoa lửa phát ra không phải do vật liệu phoi bị nung đỏ do nhiệt mài quá cao mà là do quá trình ôxy hóa tạo ra các hoa lửa.
2.4.4. Ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới nhám bề mặt.
Hình 2.17: Ảnh hưởng của chếđộ sửa đá tới nhám bề mặt chi tiết mài và sự
thay đổi của nhám theo thời gian mài.
Ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới nhám bề mặt (hình 2.18). Theo nhóm nhà khoa học Nga, Đức và Thụy Điển đưa ra mô hình ảnh hưởng của chếđộ sửa đá tới nhám bề
mặt chi tiết như sau:
47 Hoặc Ra = 0,445 - 2,88 0, 22 o S − (2.9) Với So là lượng tiến khi sửa đá.
Từ hình vẽ ta thấy rằng khi sửa mà nhám trên bề mặt đá quá lớn thì nhám bề mặt
chi tiết có xu hướng giảm xuống do xảy ra quá trình làm mòn các hạt mài và nhám trên
bề mặt đá cũng giảm xuống theo thời gian mài. Còn khi chếđộ sửa với nhám bề mặt đá
rất nhỏ thì nhám có xu hướng tăng lên theo thời gian mài.
2.4.5. Ảnh hưởng của mòn đá mài đến nhám bề mặt.
Mòn đá mài là quá trình thay đổi kích thước, hình dạng và khả năng cắt của đá. Quá trình mòn đá mài là một quá trình cơ, lý, hóa rất phức tạp. Chúng phụ thuộc vào tất cả các yếu tố của điều kiện gia công như: đá, Topography bề mặt đá mài, tính chất của vật liệu gia công, chế độ công nghệ khi mài... và làm thay đổi tính chất cơ lý lớp vật liệu bề mặt, độ sóng và độ nhám bề mặt chi tiết tăng lên, khả năng cắt giảm, năng suất gia công giảm.
Mòn đá ảnh hưởng rất lớn đến các thông số trong quá trình mài (lực cắt, nhiệt cắt, công suất cắt...) và kết quả mài. Đặc biệt là ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt chi tiết. Vì mài thường là quá trình gia công tinh lần cuối nên chất lượng chi tiết gia công sẽ là chỉ tiêu chủ yếu đểđánh giá kết quả mài.
- Hạt mài nằm ở vị trí không thuận lợi trên bề mặt đá hoặc được giữ không chặt bởi chất dính kết, dưới tác dụng của lực cắt, chúng bị tách ra khỏi bề mặt đá. Nó có thể xảy ra theo bề mặt liên kết (gẫy cầu liên kết) khi sửa đá hoặc do hạt mài bị phá hủy về thể
tích.
- Các cạnh và đỉnh của những hạt mài nhô ra nhiều nhất một phần bị vỡ văng, một phần bị mòn và bị lì do ma sát với kim loại gia công. Trên bề mặt hạt mài xuất hiện các diện tích phẳng do bị mòn gây khó khăn cho hạt mài ăn sâu vào bề mặt gia công.
48
- Hạt mài bị vỡ thành nhiều mảnh nhỏ, tạo thành nhiều lưỡi cắt sắc hơn.
- Phoi cắt ra cùng với vụn hạt mài và chất liên kết bị mòn rơi vào các lỗ hổng của đá và bịt kín chúng làm mất các góc cắt của hạt mài, khi đó khả năng luân chuyển phoi làm giảm tính cắt gọt.
- Kim loại gia công, do ngưng kết hoặc do tác dụng hóa học với vật liệu hạt mài, bị
dính vào đỉnh hoặc trên bề mặt các hạt mài.
Khi mòn chủ yếu do vỡ hạt mài và rơi hạt mài, khi đó bề mặt làm việc đá mài liên tục để lộ ra các lớp hạt mài mới, sự khôi phục này được gọi là tính tự mài sắc của đá mài (khác với các dụng cụ cắt khác, chúng ta phải mài sắc khi dụng cụ bị mòn). Tính chất tự mài sắc có ở đá mềm, trung bình. Trong các trường hợp khác, đá thường bị cùn hoặc bề mặt cắt của đá lì. Hạt mài bị mẻ, bề mặt làm việc của đá bị còn và lì sẽ làm tăng sai lệch hình dáng ban đầu của đá, giảm khả năng cắt gọt, làm tăng nhám bề mặt
đá mài và giảm độ chính xác gia công.
Để phục hồi hình dạng hình học cần thiết của dụng cụ mài, tính cắt và profile cực nhỏ của bề mặt đá, ta phải thực hiện nguyên công sửa đá bằng các dụng cụ sửa đá như
bút sửa kim cương, con lăn hoặc chính một đá mài. Một sốđá mài đặc biệ khi làm việc cần hạn chế tối đa việc sửa đá.
Ảnh hưởng của độ cân bằng đá, các điều kiện chỉnh sửa và độ cứng vững của hệ
thống công nghệ đến mòn của đá mài như sự mất cân bằng của toàn bộ hệ “trục – đá mài” cũng như sai lệch hình dạng đá mài (không tròn, ôvan...) dẫn đến là một phía bề
mặt làm việc của đá mài chịu tải lớn hơn phía khác. Phía tải trọng lớn lấy đi lượng kim loại dầy dẫn đến lực cắt và nhiệt cắt lớn, mòn cũng tăng lên tương ứng, sóng xuất hiện nhanh hơn trên bề mặt đá mài chịu tại trọng lơn. Mòn của đá mài phụ thuộc vào diện tích bề mặt làm việc, trong trường hợp đá mất cân, bằng diện tích làm việc của đá mài giảm. Bề mặt làm việc của đá chịu lực lớn sẽ bị mòn nhiều hơn.
49
Các biện pháp giảm độ mất cân bằng của đá mài là nâng cao độ cững vững của các cơ cấu trục máy, sử dụng các đá mài loại A và chính xác, cũng như đưa hệ thống cân bằng tựđộng trực tiếp trên máy (đặc biệt quan trọng khi mài tốc độ cao, khi mà lực ly tâm tỷ lệ bình phương với tốc độ đá mài).
Ảnh hưởng của các điều kiện chỉnh sửa đá mài đến độ bền của nó không đáng kể. Quá trình chỉnh sửa đá mài ảnh hưởng lớn đến topography của bề mặt làm việc của đá, nhưng ảnh hưởng này liên quan chủ yếu đến giai đoạn đầu làm việc của đá mài, ở giai
đoạn 2, topography của đá mài có biến dạng đặc trưng của mình, ít phụ thuộc vào chỉnh sửa mà được xác định chủ yếu bởi đặc tính của đá mài và mức độ giảm lực cắt. Việc tăng chếđộ chỉnh sửa đá mài (chiều sâu tnp và bước tiến dọc snp) cũng thúc đẩy sự phá hủy lớp bề mặt mạnh hơn và tốc độ mòn của đá mài lớn hơn, nhưng quá trình này ít ảnh hưởng đến tuổi bền của đá mài.
Ảnh hưởng của tốc độ quay đá mài đến chiều cao nhám của bề mặt là khi tăng tốc
độ của đá mài, độ nhám giảm xuống mặc dù ở đây khi chếđộ cắt tối ưu khác biệt ở độ
nhám lớn hơn so với các chếđộ cắt thô.
Vì vậy, tăng tốc độ quay đá mài có thể dẫn đến tăng độ bền của nó, giảm độ mòn của đá mài, lực cắt và độ nhám bề mặt mài, nâng cao năng suất của quá trình mài. 2.5. Các mô hình cơ bản xác định nhám bề mặt.
Mài là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và không đồng nhất. Vì vậy, hiện nay có nhiều mô hình để xác định nhám bề mặt của các tác giả. Để có một nghiên cứu đầy đủ và khái quát, dưới đây tôi xin giới thiệu một số mô hình xác định nhám bề mặt. Một số mô hình xác định nhám lý tưởng, một vài mô hình lại quá phức tạp khó có điều kiện ứng dụng cũng như kiểm nghiệm trong điều kiện trong nươc, tuy nhiên nó giúp cho quá trình dự báo, đánh giá quá trình hình thành nhám bề mặt thực. 2.5.1. Mô hình nhám bề mặt mài lý tưởng của S.Malkin.
50
Theo tác giả S.Malkin-University of Massachusetts, quá trình hình thành nhám đối với biên dạng ở hình 2.2 chiều cao nhám là:
2
4
c
t
s
S
R
d
= (2.10)
Trong đó: Sc là bước nhám , Sc = w
s
V L
V (2.11)
ds là đường kính đá mài.
Vw là vận tốc tiến dọc của chi tiết.
Vs là vận tốc tiếp tuyến của đá mài.
Kết hợp công thức (2.10) và (2.11) suy ra:
2 1/2 . 1 4 . w t s s V L R V d ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.12) Độ nhám trung bình Ra là : 2 1/2 . 1 . 9 3 w a s s V L R V d ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟
