128
1.5.2. Tuổi bền của đá mài
1.5.2.1. Khái niệm tuổi bền đá mài
Khoảng thời gian làm việc thực của đá mài giữa hai lần sửa đá đợc gọi là tuổi bền của đá mài.
Khái niệm tuổi bền của đá mài biểu hiện khả năng của các lỡi cắt chống lại đợc sự mòn và phá huỷ trên bề mặt của đá mài. Vì vậy các lỡi cắt trên bề mặt đá mài càng lớn chúng đợc gắn bằng chất kết dính càng tốt càng chắc hơn và tải trọng lên mỗi lỡi cắt càng nhỏ khi cắt gọt thì tuổi bền của đá mài càng lớn.
Số lợng lỡi cắt trên đá mài đợc xác định bằng diện tích bề mặt làm việc của nó, bằng độ hạt và cấu trúc của nó. Việc tăng diện tích làm việc của đá mài luôn dẫn đến tăng độ bền của nó. Nói cách khác là phải tính toán kỹ độ hạt và cấu trúc của đá mài: giảm kích thớc hạt mài và chỉ số cấu trúc của đá mài để tiến đến tăng số lợng lỡi cắt trên bề mặt của đá mài.
Tuổi bền và khả năng chống mòn của các lỡi cắt của hạt mài, chất kết dính của chúng phụ thuộc vào các tính chất vật liệu hạt mài, vào dạng hình học của chúng, vào các tính chất của chất kết dính và quá trình công nghệ sản xuất đá mài.
Tải trọng lên các lỡi cắt của đá mài đợc xác định bởi chế độ cắt và sức bền của vật liệu đợc gia công (tức là bởi tính gia công của chúng). Giảm tải trọng bằng cách giảm chế độ cắt sẽ tăng đợc tuổi bền của đá mài, nhng lúc này lại tăng thời gian gia công của máy và năng suất giảm đi. Vì vậy tuổi bền của đá mài phụ thuộc bởi các yếu tố: cấu trúc của đá mài, chế độ gia công, tình trạng ở vùng cắt và tính gia công của vật liệu mài. Topography là đặc trng có thể đánh giá tốt nhất tuổi bền đá.
Khái niệm tuổi bền của đá mài phức tạp hơn so với tuổi bền của các loại dao cắt có lỡi cắt xác định (Tiện, Phay...) bởi vì đá mài còn có khả năng tự mài sắc, Tuỳ theo mức độ cùn của các hạt mài và sự bám dính kim loại lên đỉnh của
chúng mà việc ăn sâu của hạt mài vào kim loại gia công bị cản trở, tăng ma sát giữa các bề mặt của đá mài và chi tiết, lực cắt, nhiệt độ và rung động trong quá trình mài cũng tăng lên.
Hiện nay, có những phơng pháp và thiết bị khác nhau để đo kích thớc chi tiết và lợng kim loại lấy đi trong quá trình mài nhng hầu nh cha có cách nào để đo đợc các thông số chất lợng thờng xuyên của bề mặt mài.
Các nghiên cứu trớc đây bằng phơng pháp thực nghiệm đã xác định đợc tuổi bền của đá mài phụ thuộc vào chế độ cắt ở dạng các đờng cong mà sau đó vẽ bằng các hàm số.[4]
T =CttαSβv∂γ (1.35)
Trong đó:
T - tuổi bền của đá mài
t,s,v - chiều sâu cắt, lợng tiến dao, vận tốc cắt của đá
Ct , α, β, γ, c – hệ số xác định bằng thực nghiệm
Để xác định tuổi bền của đá mài về nguyên tắc có thể sử dụng cả các tiêu chí gián tiếp khác (lực, công suất mài, rung động...). Nhng khi đó cần kết nối số lợng các tiêu chí này với các thông số chất lợng bề mặt mài và với tốc độ bóc cắt kim loại chi tiết gia công. Tuy nhiên rất khó để thực hiện đợc tất cả điều này vì sự phức tạp của các phép đo.
1.5.2.2. Các tiêu chuẩn đánh giá tuổi bền đá mài
Nguyên nhân phá vỡ quá trình mài chuẩn là sự tăng lực mài, nhiệt độ cắt gọt và sự rung động của chúng bị gây nên bởi độ mòn và bám dính bẩn của bề mặt làm việc của đá mài. Những hiện tợng này kèm theo sự xấu đi các điều kiện thoát phoi khỏi chi tiết và chất lợng bề mặt của nó. Mối quan hệ qua lại giữa các hiện tợng nảy sinh cùng với mòn và dính bẩn đá mài đợc chỉ ra bằng sơ đồ.
Các thông số đầu vào Các hiện tuợng xảy ra Các thông số đầu ra trong quá trình mài
Vật liệu gia công Chế độ cắt Đặc tính đá Máy mài Điều kiện mài
Lực cắt Nhiệt cắt Mòn đá Rung động Năng suất Giá thành Độ chính xác Chất luợng Hình học bề mặt đá
Hình 1.15. Sơ đồ quan hệ của quá trình mài
Các tiêu chí chính để xác định tuổi bền đá mài là các thông số đầu ra của quá trình mài (Độ chính xác và chất lợng bề mặt gia công, lợng kim loại bị bóc đi) bởi vì chính chúng là những tiêu chuẩn có ích cần đạt của quá trình mài. Vì vậy để xác định tuổi bền của đá mài hợp lý hơn cả là đo đợc các thông số đầu ra .
Việc đo tất cả các thông số đầu ra trong thời gian gia công đối với phần lớn các trờng hợp mài là cực kỳ phức tạp. Ví dụ: việc đo các thông số chất lợng bề mặt mài của chi tiết trong khi gia công ngày nay cha tiến hành đợc thậm chí cả ở điều kiện phòng thí nghiệm khi nghiên cứu cả quá trình (loại trừ một vài thiết bị cho phép đo độ nhám của chi tiết trong thời gian mài).
Có một số cách khác xác định tuổi bền của đá mài đó là: đo độ mòn , đo lực và đo nhiệt độ mài. Phơng pháp này có ý nghĩa khi tồn tại các mối quan hệ giữa các đại lợng đo đợc với các thông số chất lợng, độ chính xác của bề mặt gia công và khối lợng kim loại lấy đi.
bền của đá rất phức tạp. Không thể xây dựng một chỉ tiêu tổng quát để xác định tuổi bền của đá cho mọi trờng hợp. Do đó có thể có các phơng pháp xác định tuổi bền của đá mài sau đây:
1) Bằng gia công các chi tiết mẫu.
Khi gia công các chi tiết mẫu thì tiến hành đo các thông số chất lợng của chi tiết nh: độ chính xác về kích thớc, nhám bề mặt, ứng suất d, vết cháy...Căn cứ vào kết quả đo các thông số và số lợng chi tiết mẫu, sẽ xác định đợc thời điểm phải sửa đá. Phơng pháp này đợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất loạt lớn.
2) Bằng quan sát của ngời thợ điều khiển máy mài.
Ngời công nhân phải tự xác định thời điểm sửa đá mài dựa vào chỉ số đối với các dấu hiệu chủ quan nh: xuất hiện âm thanh đặc biệt trong khi đá mài làm việc, vết cháy sém nhận thấy rõ, độ nhám bề mặt gia công xấu v.v Yếu tố chủ… quan và sự thiếu chính xác là những nhợc điểm cơ bản của phơng pháp này. Tuy nhiên phơng pháp này cũng đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế mài.
3) Bằng đo lực cắt thành phần hớng tâm PY.
Phơng pháp này dựa trên cơ sở tăng lực thành phần hớng kính trong khi đá mài cùn và dính bẩn. Nhợc điểm của phơng pháp này là sự không có một qui luật tăng lực cắt hớng tâm một cách thống nhất ở các điều kiện mài khác nhau, việc xây dựng quan hệ giữa lực PY với các thông số chất lợng bề mặt chi tiết gia công khó khăn.
4) Bằng đo lực cắt thành phần tiếp tuyến PZ.
Đo đại lợng lực cắt tiếp tuyến Pz đặc trng cho khả năng cắt của mài. Việc đo đợc tiến hành nhờ các thiết bị đo lực đặc biệt (điện áp, cảm ứng, điện dung, đo biến dạng v.v...)
Phân tích sự thay đổi của lực Pz khi mài liên tục chỉ ra rằng có thể lấy sự biến thiên của Pz làm chỉ tiêu để xác định tuổi bền của đá mài. Tuy nhiên không có một quy luật cố định về sự biến đổi của PZ theo độ mòn của đá. Tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể vào các điều kiện mài mà lực Pz có thể đợc tăng lên, không thay đổi trong thời kỳ vững chắc và thậm chí bị giảm xuống [83].
5) Bằng đo tốc độ bóc kim loại trong quá trình mài.
Việc xác định tuổi bền của đá mài đợc tiến hành bằng đo tốc độ bóc kim loại trong một đơn vị thời gian làm việc. Cơ sở của phơng pháp này là hiện tợng tăng lực cắt hớng kính Py cùng với sự cùn của đá mài đã mô tả ở trên.
Chủ yếu, việc nghiên cứu tốc độ bóc kim loại đợc tiến hành trên máy hiện đại hoặc trên các thiết bị đặc biệt cho phép thực hiện áp lực không đổi giữa đá mài và chi tiết [19]. Trong trờng hợp này việc giảm tốc độ bóc kim loại phản ánh sự xấu đi khả năng cắt của đá mài. Khi giảm tốc độ bóc kim loại Q xuống 40 ữ 50 % Kh. Kenzaev đã nhận đợc giới hạn độ bền của đá mài, thực tế thời điểm này xảy ra ở các điều kiện mài bất kỳ qua 10 ữ 15 phút làm việc.
6) Bằng đo nhiệt cắt của mài.
Nó dựa trên cơ sở đo nhiệt độ mài đặc trng cho chất lợng bề mặt mài và nhiệt mài tăng lên cùng với sự cùn của đá mài. Song việc đo nhiệt độ trong quá trình mài là phức tạp mà ngày nay vẫn cha đợc sử dụng trong thực tế sản xuất.
Không thể sử dụng phơng pháp xác định tuổi bền đá mài theo mức độ ồn gây ra bởi rung động ở vùng cắt bởi vì phải tách âm thanh đặc trng xuất hiện khi cùn đá mài nhờ các dụng cụ phức tạp, không chính xác, mặc dù các ý tởng đã đợc tiến hành bằng một số nghiên cứu [4].
7) Bằng đo hệ số khả năng cắt của đá mài mà nó là tỷ số tốc độ bóc kim loại đi với lực cắt hớng tâm: Q/PY; mm3/ph.kG
Phơng pháp xác định tuổi bền đá mài đáng chú ý theo phơng pháp đo hệ số khả năng cắt của đá mài. Hệ số này phản ánh rõ trạng thái và các tính chất cắt gọt của đá mài. ý nghĩa vật lý của hệ số là khả năng của đá mài bóc khỏi chi tiết một lợng kim loại trên một đơn vị thời gian khi tác động một đơn vị lực hớng kính của đá mài vào chi tiết K =
y
P Q
, mm3/ph.kG
Sự thay đổi hệ số khả năng cắt của đá mài theo thời gian xảy ra theo qui luật nhất định và vì thế phản ánh mức độ cùn của đá mài:
Kτ = K0 - λτ. ở đây:
K - là giá trị thờng xuyên của hệ số khả năng cắt; K0 - giá trị hệ số khả năng cắt khi bắt đầu làm việc; λ - Hệ số phụ thuộc vào các điều kiện mài.
Nhợc điểm của phơng pháp này là trong thời gian làm việc cần phải đo một lúc hai đại lợng Q và PY. Ngoài điều đó trong nhiều trờng hợp đại lợng K thay đổi sau mỗi giai đoạn tuổi bền của đá mài tơng đối nhỏ (1,5 - 2,0 lần). Vì vậy sai lệch đo Q và PY làm sai lệch lớn kết quả xác định K.
8) Bằng đo cờng độ rung hoặc biên độ dao động của lực cắt.
Việc tăng biên độ dao động hớng tâm của đá mài so với bề mặt chi tiết, xảy ra cùng với mòn đá mài là nguyên nhân làm kém đi các thông số chất lợng bề mặt chi tiết mài (sóng và nhám). Vì thế việc đo biên độ dao động lực cắt hoặc biên độ dao động của cụm bất kỳ nào đó (hoặc là chi tiết) của máy gần vùng mài có thể dùng làm tiêu chí để xác định tuổi bền của đá mài.
Khi đa ra những tổng kết cho các phơng pháp đã nghiên cứu để xác định tuổi bền của đá mài ta rút ra kết luận nh sau:
1. Để giải quyết bài toán xác định tuổi bền đá mài khi mài là tạo hệ thống vạn năng cho phép đo độ chính xác và chất lợng bề mặt chi tiết gia công (kích thớc của chi tiết mài, độ nhám, độ sóng và độ sâu biến cứng của lớp bề mặt) ngay trong quá trình gia công. Hệ thống đo không những xác định đợc thời điểm sửa đá mài mà còn điều khiển tự động đợc quá trình mài, nếu đa vào các mối liên kết ngợc với chế độ cắt. Với điều kiện kỹ thuật đo, kỹ thuật điều khiển tự động gia công hiện nay, cho phép tạo ra đợc các hệ thống đo nh vậy.
2. Để tạo ra hệ thống đo đáp ứng đợc các yêu cầu trên, cần phải hệ thống hóa vật liệu và nghiên cứu ảnh hởng của các quá trình mòn và sửa đá mài đến độ chính xác và chất lợng bề mặt chi tiết mài.
3. Các phơng pháp xác định tuổi bền của đá mài đợc liệt kê ở trên là gián tiếp và các phơng pháp này chỉ đợc sử dụng khi có mối liên hệ với các thông số của chất lợng bề mặt mài hoặc độ chính xác gia công khi mài. Việc chọn một phơng pháp cần đợc gắn liền với các thông số chất lợng hoặc độ chính xác gia công cụ thể và các điều kiện mài cụ thể.
4. Có một số phơng pháp có thuận lợi hơn đối với việc sử dụng đo trong thực tế mài là:
a) Đo biên độ dao động lực cắt (hay dao động của cụm bất kỳ của chi tiết) đối với các nguyên công mài tròn ngoài và các phơng pháp mài khác.
b) Đo lực cắt, công suất hữu dụng hoặc hệ số khả năng cắt của đá mài đối với các nguyên công mài phẳng và các phơng pháp khác.
c) Đo tốc độ lấy kim loại đi đối với các máy mài làm việc theo phơng pháp tăng đều lực hớng kính đá mài vào chi tiết.
1.6. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc
Có thể nói mài là một trong những nguyên công quan trọng nhất quyết định đến chất lợng sản phẩm, điều này đợc nhấn mạnh trong các cuốn sách
chuyên thảo về mài cũng nh trong các giáo trình Công nghệ chế tạo máy ở Việt Nam và giáo trình quá trình sản xuất cơ khí trên thế giới.
Tầm quan trọng của quá trình mài còn đợc thể hiện bởi số lợng hàng ngàn các sáng chế về máy mài, các quá trình mài, dụng cụ đá mài và các sáng chế này có đợc là kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học ở các trờng đại học, viện nghiên cứu và các doanh nghiệp trên toàn thế giới ; Các trờng Đại học nghiên cứu sâu về vấn đề này có thể kể tên nh sau:
- MIT, Pennysylvania State university, Kansas State University của Mỹ - Liverpool, John Moovs University của Anh
- Chung Yuan Christian University của Đài Loan - Đại học Sydney, New South Wales của úc - Đại học Ruollonggen Veszpren của Hungary - Viện kỹ thuật công nghệ KAIST của Hàn Quốc.
Các nghiên cứu này phần nào đợc trình bày trong khoảng hơn 30 luận án tiến sỹ và thạc sỹ, từ tài liệu [49] đến tài liêu [82]. Khi nghiên cứu về mài các nhà nghiên cứu tập trung giải quyết các vấn đề liên quan đến máy mài, đá mài, chi tiết mài cũng nh chế độ cắt khi mài, nhiệt khi mài và dung dịch tới nguội. Có lẽ máy là yếu tố đầu tiên ảnh hởng đến chất lợng bề mặt. ở đây họ tập trung vào nghiên cứu về độ chính xác gia công, tự động hoá, các phơng pháp điều khiển quá trình mài này để gia công những vật liệu siêu cứng và kim cơng. Đặc biệt trong công cuộc cách mạng nanô họ đã nghiên cứu thiết kế các máy mài chính xác và siêu chính xác.
Nh chúng ta đều biết độ chính xác của máy ảnh hởng quyết định đến chất lợng bề mặt cho nên trong luận án tiến sĩ của mình JB Bibler [69] của đại học Californa đã nghiên cứu về sai số hình học của máy mài chính xác. Luận án tiến sĩ của Littmann [77] ở MIT nghiên cứu thiết kế chế tạo máy mài để gia công chính xác vật liệu gốm.
Trong những năm gần đây điều khiển số phát triển nhanh áp dụng cho các loại máy công cụ khác nhau. Các tác giả J.W.Laio [74], H.A.Li [75] của đại học Chung Yuan christias đã nghiên cứu bộ điều khiển lập trình PLC cho máy mài còn K.H.Surk [81] ở viện khoa học công nghệ KAISJ của Hàn Quốc lại nghiên cứu hệ phát triển của máy mài CNC cho các máy mài siêu chính xác các vật