3. Đối tượ ng, mục đ ớch, phương phỏp và nội dung nghiờn cứ u
2.3. Sự phõn bố nhiệt mài trong quỏ trỡnh mài khụ
Quỏ trỡnh mài xẩy ra bằng việc tiếp xỳc giữa cỏc hạt mài mũn riờng lẻ trờn bề mặt đỏ mài với chi tiết. Theo những phõn tớch về cơ chế mài ở chương 5, tổng năng lượng đầu vào để mài bao gồm cả việc tạo phoi, cày xước, và cỏc thành tố của năng lượng trượt. Nhiệt độ cao nhất cú thểđạt đến điểm núng chảy của vật liệu được mài. Tuy nhiờn, những mức nhiệt độ cao như thế chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn và chỉ tập trung ở những mặt phẳng trượt của cỏc phoi cú rất nhỏ. Ngay phớa dưới bề mặt, phụi cú cảm tưởng phải chịu nung núng gần như liờn tục trong vựng mài do sự tương tỏc của vụ số hạt mài di chuyển rất nhanh qua vựng mài. Do vậy, chớnh nhiệt độđi kốm với việc đốt núng liờn tục đú chứ khụng phải nhiệt độ cực đại mới cú thểđược coi là nguyờn nhõn gõy ra hầu hết những hư hỏng nhiệt. Một điều cũng đỏng quan tõm là nhiệt độ ở phần lớn chi tiết gõy ra sự gión nở nhiệt dẫn tới biến dạng và sai số kớch thước. Núi chung, mức tăng trung bỡnh của nhiệt độ cao nhất chỉ là một phần nhỏ trong toàn bộ mức tăng nhiệt độ của vựng mài.
Năng lượng mài được chuyển hoỏ thành cỏc thành phần sau: - Truyền vào chi tiết để nung núng chi tiết
- Truyền vào chi tiết để nung núng đỏ mài - Năng lượng động học cho phoi mài - Nung núng phoi
- Làm tăng nhiệt độ mụi trường xung quanh - Búc phoi để tạo ra bề mặt mới của chi tiết
- Trong quỏ trỡnh mài khụ thỡ hầu hết năng lượng mài được chuyển thành nhiệt truyền vào đỏ, chi tiết, phoi cũn cỏc phần năng lượng khỏc hầu như khụng đỏng kể. Do đú mụ hỡnh truyền nhiệt khi mài được thể hiện như hỡnh 2-6.
Qo θS θw θ V Đá mài
Chi tiết gia công
Qs, Rs
Qc, Rc
Qw, Rw
Vf
Hỡnh 2-6. Mụ phỏng sự truyền nhiệt trong quỏ trỡnh mài
Nếu gọi cụng mài là Q0 thỡ Q0 được xỏc định theo cụng thức sau:
V F Q0 = tì
Trong đú: Ft là lực mài tiếp tuyến (N) và V là tốc độ mài của đỏ (m/s).
2.3.1. Xỏc định tỷ lệ nhiệt truyền vào đỏ và chi tiết
Nếu gọi Rw, Rs và Rc là tỷ lệ tương ứng nhiệt truyền vào chi tiết, đỏ và phoi thỡ ta cú cụng thức gần đỳng sau:
Rw+Rs+Rc=1
Bằng cỏc ỏp dụng lý thuyết M.C Shaw cú thể tớnh được lượng nhiệt truyền vào chi tiết Qw, đỏ Qs nếu như giả thiết rằng khoảng nột nửa năng lượng mài truyền vào đỏ và chi tiết. { w w w s s s s} s s s s w s s k k k Q Q R θ θ ρ λ θ θ ρ λ θ θ ρ λ − + − − = = ( ) ( ) ( 2 1
Trong trường hợp mài P10 (T15K6) bằng đỏ mài kim cương liờn kết kim loại, vật liệu liến kết là Cu thỡ tỷ lệ nhiệt truyền vào chi tiết sẽ là:
1 1 0 0,752 0,752 752 , 0 A l V C A l V k k k Q Q R c f w w c f s s s w w w w ρ ρ λ π π + + = = Với A1=-2,303log10(2L)=1,616
Từ cỏc cụng thức trờn cú thể thấy rằng lượng nhiệt truyền vào chi tiết và đỏ phụ thuộc vào cấu trỳc của đỏ (chủ yếu là chất dớnh kết), vào cỏc thụng số cụng nghệ của quỏ trỡnh mài như vận tốc chi tiết, chiều sõu mài v.v.
2.3. 2. Ảnh hưởng của cỏc cấu trỳc đỏ và thụng số cụng nghệđến nhiệt độ
bề mặt mài và sự phõn bố nhiệt
- Ảnh hưởng của tốc độ chi tiết
Hỡnh 2-7 ảnh hưởng của tốc độ chi tiết đến nhiệt độ bề mặt chi tiết và lực tiếp tuyến
- Ảnh hưởng của chiều sõu mài
2.3.3. Đo nhiệt độ bề mặt mài
Để xỏc định nhiệt trong quỏ trỡnh mài, người ta đó sử dụng rất nhiều cụng nghệ và thiết bị đo khỏc nhau như: cảm ứng phúng xạ, camera hồng ngoại, súng điện từ, cặp nhiệt ngẫu,…theo cỏc phương phỏp:
- Chiếu ỏnh sỏng qua khu vực gia cụng, thu súng ỏnh sỏng và phõn tớch nhiệt nhờ cỏc thiết bịđo.
- Khoan 1 lỗ nhỏ trong chi tiết tại vị trớ mài, đặt nguồn sỏng vào đú và chiếu vào khu vực mài sau đú thu tớn hiệu và phõn tớch.
- Khoan 1 lỗ khụng thủng tại vị trớ gia cụng và đạt cỏc thiết bịđo nhiệt tại đú để xỏc định nhiệt mài trực tiếp.
- Gắn cỏc cặp nhiệt ngẫu vào khu vực gia cụng đểđo trực tiếp nhiệt mài. - Tớnh toỏn nhiệt mài theo phương phỏp thuỷ khớ động học hoặc phương phỏp phần tử hữu hạn.
Tuy nhiờn, cú nhiều khú khăn nảy sinh trong việc giải thớch được cỏc số liệu đo đạc do cỏc Gradien nhiệt độ rất lớn trong khụng gian và thời gian gần bề mặt mài và do cỏc kớch thước đầu đo nhiệt độ hoặc diện tớch đo lớn hơn cỏc nguồn nhiệt đơn lẻ trờn điểm cắt.
Trong cỏc loại kỹ thuật đo khỏc nhau đú chỉ cú cặp nhiệt ngẫu gắn vào chi tiết cho thấy cú khả năng đưa ra những thụng số chớnh xỏc nhất về nhiệt độ gần bề mặt mài. Khi đo, cặp nhiệt ngẫu được gắn trực tiếp vào ngay bờn dưới bề mặt chi tiết gia cụng nờn dễ dàng xỏc định được nhiệt tại vị trớ đang gia cụng do điểm đo gần với vị trớ bề mặt đang gia cụng.
Phương phỏp này thực hiện dựa trờn nguyờn lý hiện tượng nhiệt điện. Khi nung núng hai dõy dẫn từ hai kim loại khỏc nhau thỡ xuất hiện trờn đầu cuối tự do của dõy dẫn một lực động nhiệt điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ chỗ nối. Do đú, thụng qua việc đo lực động nhiệt sẽ xỏc định được nhiệt độ tại vị trớ cần đo. Ở đõy, hai phần tử ngẫu nhiệt là hai vật liệu kim loại của dụng cụ cắt và vật liệu chi tiết gia cụng. Khi này đỏ mài được chế tạo cú chất kết dớnh là kim loại và do đú nú đúng vai
trũ là phần tử nhiệt ngẫu thứ nhất. Phần tử nhiệt ngẫu thứ hai chớnh là chi tiết gia cụng cú độ dẫn nhiệt, dẫn điện nhất định.
Nhiệt độ bề mặt mài đo được sẽđược ghi lại bằng thiết bị ghi như trờn hỡnh 2-9.
Hỡnh 2-9. Đo nhiệt độ bề mặt mài
Kết luận chương 2
- Tỏc giả đó nghiờn cứu được nguyờn lý truyền nhiệt và nhiệt động theo thuyết M.C.Shaw
- Sự phõn bố nhiệt và tỷ lệ truyền nhiệt trong vựng mài, làm cơ sở cho việc phõn tớch xõy dựng mụ hỡnh thực nghiệm cũng như việc nhận xột, đỏnh giỏ kết quả thu được sau quỏ trỡnh thực nghiệm
- Cỏc phương phỏp xỏc định nhiệt độ trong quỏ mài, làm cơ sở cho việc xỏc định nhiệt độ trong quỏ trỡnh thực nghiệm
Chương 3
XÂY DỰNG Mễ HèNH TOÁN HỌC VÀ Mễ HèNH THỰC NGHIỆM
3.1. Mụ hỡnh truyền nhiệt trong vựng mài.
Đểđơn giản hoỏ cho việc xõy dựng cỏc cụng thức tớnh nhiệt và cỏc thụng số của quỏ trỡnh cắt khi mài, một số giả thuyết sau đõy được đưa ra:
+ Chiều cao phần nhụ ra khỏi mặt đỏ của hạt mài sau khi đó mài sửa đỏ là bằng nhau và bằng δ.
+ Hỡnh dỏng của cỏc hạt mài đều là hỡnh cầu và đều cú bỏn kớnh là ro (chưa kểđến chiều dày lớp vật liệu kết dớnh bao phủ quanh hạt mài) .
+ Cỏc lỗ khớ sau khi mài sửa đỏ đều cú hỡnh cầu và phần lỗ khớ trờn bề mặt đỏ là hỡnh bỏn cầu.
+ Cỏc hạt mài được phõn bố trờn bề mặt đỏ cú thụng số hỡnh học (đặc biệt là gúc trước γ và gúc sau α) giống nhau.
V Lỗ khí Hạt mài Phoi Đá mài δ
Chi tiết gia công Vòi khí
Khí lạnh
L
Vf
Hỡnh 3-1. Mụ hỡnh truyền nhiệt trong vựng mài
Cỏc thụng số chi tiết của khu vực gia cụng khi mài và quỏ trỡnh truyền nhiệt được mụ phỏng trờn hỡnh 3-2. Vỡ trong cỏc nguyờn cụng mài, chiều sõu cắt là rất nhỏ cũng như kớch thước của hạt mài nhỏ nờn khe hở giữa đỏ mài và chi tiết mỏy là Khụng khớ + dung dịch
rất nhỏ. Do vậy cú thểứng dụng lý thuyết truyền nhiệt qua khe hẹp để phõn tớch và tớnh toỏn nhiệt trong khi mài.
V qw
Tkh x
z
Chi tiết gia công Luồng
khí lạnh
Hạt mài
Đá mài
Chi tiết gia công t
B
L
2l=L
Hỡnh 3-2. Mụ phỏng quỏ trỡnh truyền nhiệt
3.2. Phõn tớch sự truyền nhiệt trong vựng mài.
Khi dũng khớ cú trộn lẫn dung dịch làm mỏt được thổi vào khu vực gia cụng dưới dạng sương mự, một phần nhiệt lượng q (J/m3) được mang ra khỏi khu vực gia cụng bằng cỏch hấp thụ nhiệt từ chi tiết gia cụng thụng qua luồng khớ + dung dịch mang ra ngoài mụi trường.
Lượng nhiệt này được chia làm 2 phần: lượng nhiệt trong khối khớ giữa bề mặt tiếp xỳc của chi tiết với bề mặt đỏ q1 và lượng nhiệt do khớ hấp thụ từ bề mặt chi tiết đi ra ngoài q2. Nếu cựng 1 điều kiện mài và cựng 1 giỏ trị năng lượng mài như nhau thỡ lượng nhiệt được mang ra ngoài q2 là khụng thay đổi.
Như vậy, tổng lượng nhiệt được mang ra khỏi khu vực gia cụng trong một đơn vị thời gian sẽ lớn nếu tổng lưu lượng khớ giữa bề mặt chi tiết và đỏ mài càng lớn.
Khụng khớ + dung dịch làm mỏt
Lượng nhiệt được chuyển ra mụi trường thụng qua lưu lượng khớ giữa đỏ mài và chi tiết là:
Qre=q1.Vkh (3-1) Với Vkh là thể tớch khớ thổi qua khu vực gia cụng trong 1 đơn vị thời gian. Như vậy, để tăng khả năng thoỏt nhiệt từ khu vực gia cụng ra ngoài mụi trường, thỡ cần phải tăng khối lượng khớ thổi qua khu vực gia cụng trong 1 đợn vị thời gian khi gia cụng. Ngoài ra nhờ cú trộn lẫn dung dịch trơn nguội sẽ làm giảm lực ma sỏt giữa đỏ mài với chi tiết gia cụng nờn sẽ giảm lượng được nhiệt sinh ra trụng vựng mài.
3.3. Mụ hỡnh thớ nghiệm.
3.3.1. Yờu cầu của hệ thống thớ nghiệm
Mục đớch:
+ Xõy dựng hệ thống thiết bị bụi trơn – làm nguội tối thiểu để vừa phục vụ nghiờn cứu thực nghiệm đề tài, vừa ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.
+ Với mục đớch đú, hệ thống thớ nghiệm phải đảm bảo cỏc yờu cầu sau: - Đỏp ứng được yờu cầu lý thuyết cần nghiờn cứu.
- Đảm bảo độ chớnh xỏc, độ tin cậy và ổn định. - Đảm bảo việc thu thập và xử lý số liệu thuận lợi. - Đảm bảo tớnh khả thi.
- Sử dụng đơn giản, đảm bảo tớnh linh hoạt cao, cú thể sử dụng cho nhiều loại mỏy cụng cụ.
- Đảm bảo tớnh kinh tế.
3.3.2. Sơđồ nguyờn lý hoạt động của hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội kiểu sương mự nguội kiểu sương mự
Hệ thống bụi trơn – làm nguội tối thiểu phải đảm bảo cỏc yờu cầu sau: - Dễ lắp đặt và sử dụng.
- Áp suất dũng khớ nộn phải ổn định và điều chỉnh được trong phạm vi cần thiết. Việc điều chỉnh phải dễ dàng, thuận lợi.
- Lưu lượng dung dịch bụi trơn – làm nguội phải ổn định, khả năng bụi trơn tốt. Phải điều chỉnh được lưu lượng một cỏch chủ động và độc lập với việc điều chỉnh ỏp suất dũng khớ.
Để đỏp ứng được cỏc yờu cầu trờn, sơđồ nguyờn lý hoạt động của hệ thống như hỡnh 3-3. 1- Hệ thống cung cấp khớ nộn. 2- Van điều chỉnh ỏp suất khớ nộn. 3- Bỡnh cung cấp dung dịch. 4- Buồng trộn dung dịch. 5- Vũi phun. 6- Sensor ổn định lưu lượng. 7- Dụng cụ. 8- Chi tiết gia cụng. 3.3.3. Điều kiện thực nghiệm
Để thuận tiện cho việc so sỏnh phương phỏp làm mỏt bằng khụng khớ nộn cú trộn dung dịch làm mỏt với cỏc phương phỏp mài khụ và mài làm mỏt kiểu tưới tràn (mài ướt), tỏc giả chọn điều kiện thực nghiệm như sau:
Hỡnh 3-3. Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội
Quỏ trỡnh thực nghiệm được làm mỏt bằng khớ nộn trộn lẫn với dung dịch trơn nguội là Emusil, đỏ mài kim cương cú vật liệu kết dớnh bằng kim loại là Đồng. Đỏ mài được chế tạo cú tỷ lệ lỗ khớ nhưđược giới thiệu trong Bảng 4-1.
Đỏ mài kim cương chất kết dớnh kim loại cú kớch thước đường kớnh φ100mm, chiều rộng 8mm, kớch thước hạt mài #140/170, tỷ lệ lỗ khớ từ 35% đến 58% với 3 mức độ: nhỏ (35%), vừa (45%) và tỷ lệ lớn là 58%. Đỏ được luyện trong mụi trường chõn khụng với điều kiện ỏp suất 133,3Pa. Sau khi xử lý qua Photpho, đỏ được nung núng ởđiều kiện 9800kPa, sau đú được xử lý lạnh trong mụi trường Nitơ lỏng. Cỏc thụng số của đỏ mài được thể hiện trong Bảng 3-4.
Bảng 3-4. Thụng sốđỏ mài dựng thực nghiệm
Đỏ mài Vg (vol %) Vb (vol %) VP (vol %)
M1 29,5 14,0 56,5 M2 27,6 26,5 45,9 M3 25,3 39,1 35,6 Quỏ trỡnh thực nghiệm với đỏ mài kim cương cú lỗ khớ ởđiều kiện như sau:
- Mỏy mài: Trung tõm mài VKC45 - Tốc độđỏ: 20m/s
- Tốc độ di chuyển của phụi: 60mm/ph
- Vật liệu gia cụng: T15K6, kớch thước L15 x W6 x H22 (Dài x Rộng x Cao) - Chiều sõu cắt: 2àm, 4àm, 6àm, 8àm và 10àm
- Phương phỏp mài: Mài thuận (vộc tơ vận tốc cắt tại mặt phẳng cắt cựng chiều với chuyển động của phụi)
Nhiệt mài sinh ra trờn bề mặt chi tiết gia cụng được xỏc định bằng cặp nhiệt ngẫu gắn vào ngay phớ dưới bề mặt chi tiết gia cụng và trục đỏ mài. Khoảng cỏch từ bề mặt gia cụng đến vị trớ đầu đo trong phạm vi khụng lớn hơn 100àm.
Đỏ mài thực nghiệm cú vật liệu kết dớnh là kim loại, thụng số này đó làm tăng khả năng dẫn nhiệt của đỏ mài nhờ hệ số dẫn nhiệt cao của kim loại. Cũng với điều kiện mài như nhau, nếu sử dụng cỏc loại đỏ kim cương sử dụng vật liệu kết
dớnh là nhựa tổng hợp hoặc thuỷ tinh thỡ khả năng làm giảm nhiệt trong khu vực gia cụng sẽ thấp hơn nhiều vỡ nhựa và thủy tinh đương nhiờn cú hệ số dẫn nhiệt kộm hơn.
Để chế tạo được đỏ mài cú tỷ lệ lỗ khớ cao, khi sản xuất đỏ cần tuõn thủ một quy trỡnh rất phức tạp và mất nhiều thời gian. Trước khi chế tạo, hạt mài được qua một quy trỡnh xử lý cẩn thận , sau đú được phủ một lớp kim loại ở bề mặt ngoài cỏc hạt mài. Tiếp theo đỏ mài được đỳc, ộp tạo hỡnh tuỳ theo hỡnh dỏng kết cấu và biờn dạng bề mặt chi tiết cần gia cụng. Sau đú đỏ mài được xử lý qua quỏ trỡnh thiờu kết hiếm khớ ở nhiệt độ từ 10230K đến 12730K trong thời gian khỏ dài. Quỏ trỡnh thiờu kết diễn ra càng chậm, càng nhiều thời gian thỡ khả năng liờn kết giữa cỏc hạt mài càng cao và như thế cũng làm tăng tỷ lệ lỗ khớa bờn trong hạt mài. Tiếp theo là quỏ trỡnh xử lý Phophor, xử lý nhiệt và cuối cựng là xử lý Nitơở nhiệt độ dưới khụng trong thời gian khoảng 10 phỳt.
Hỡnh 3-4. Topograph đỏ mài lỗ khớ M1
Quỏ trỡnh thực nghiệm được tiến hành với giả thuyết trong điều kiện mụi trường lý tưởng-khụng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, giú, độ ẩm khụng khớ, rung động ngoại vi ớt,…Quỏ trỡnh thực nghiệm lần lượt với cỏc loại đỏ mài M1, M2 và
M3, điều chỉnh cỏc thụng số chếđộ cắt như tốc độ tịnh tiến bàn mỏy, vận tốc quay của đỏ, chiều sõu lớp cắt.
Hỡnh 3-5. Topograph của đỏ mài lỗ khớ M2
Kết cấu của đỏ mài dựng thực nghiệm được mụ tả trờn Hỡnh 3-4, Hỡnh 3-5 và Hỡnh 3-6. Theo đú, mật độ và kớch thước của cỏc lỗ khớ trờn đỏ mài M1 là lớn nhất.