128
1.5. mòn đá mài và tuổi bền đá mài
1.5.1. Mòn đá mài
Mòn đá mài là một quá trình rất phức tạp. Quá trình mòn đá là tổng hợp của nhiều quá trình mòn khác nhau xảy ra tại vùng cắt.
Các nghiên cứu đã đa ra cơ chế mòn và ảnh hởng của các yếu tố khác nhau đến mòn đá gồm đá mài và các đặc tính của nó, phôi, tới nguội và nhiều yếu tố khác. Việc nghiên cứu cơ chế mòn đá là cơ sở hợp lý để xác định tuổi bền của đá.
1.5.1.1. Lợng mòn đá
Lợng mòn đá đợc hiểu là sự hao tổn thể tích của viên đá trong quá trình mài. Thể tích lợng mòn đá hớng kính đợc tính. [29]
vs = πds.∆rs.b (1.30)
ở đây ∆rs làlợng giảm bán kính đá mài, ds là đờng kính trung bình của đá mài trớc và sau khi bị mòn và b là bề rộng đá. Trong hầu hết các trờng hợp thực tế, ∆rs rất nhỏ so với đờng kính đá.
Diễn biến quá trình mòn đá mài tơng tự nh các quá trình mòn của dụng cụ cắt khác bao gồm 3 giai đoạn .
Hình 1.11: Mối quan hệ giữa lợng mòn dao với thời gian cắt khi Tiện OA: giai đoạn mòn ban đầu;
AB: giai đoạn mòn ổn định; BC: giai đoạn mòn khốc liệt;
+ Giai đoạn 1: Giai đoạn mòn nhanh ban đầu của đá. Thời gian mòn ban đầu tm nhỏ nhng độ mòn ban đầu Um lớn. Nguyên nhân là sau khi sửa đá có nhiều hạt mài có vị trí và thông số hình học của lỡi cắt không thuận lợi cho quá trình cắt hoặc các hạt mài liên kết không chặt chẽ với nhau. Các hạt này liên tục bị bung ra khỏi chất kết dính.
+ Giai đoạn mòn tiếp theo là mòn bình ổn với tốc độ mòn gần nh hằng số. Thời gian làm việc của đá đợc tính trong giai đoạn này. Độ mòn của đá trong giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của tải trọng cơ nhiệt.
+ Giai đoạn mòn thứ ba là mòn khốc liệt. Mòn khốc liệt khi xuất hiện có thể kèm theo cháy mài hoặc vết gằn và khi đó cần phải tiến hành sửa đá.
Để đánh giá khả năng đặc trng chống mòn đá ngời ta đa ra hệ số mòn đá, ký hiệu G - là thể tích của vật liệu gia công trên một đơn vị thể tích mòn đá:
G = Vw/Vs
Hoặc trong một số trờng hợp mòn bình ổn, [33] G = ∆Vw/∆Vs
Trong đó: Vs - Thể tích đá mòn;
Vw - Tổng thể tích vật liệu bóc đi của chi tiết gia công; G =100 nghĩa là đá mài cắt đợc 100 đơn vị vật liệu chi tiết gia công thì bị mòn 1 đơn vị thể tích đá. Hệ số G nằm trong một phạm vi rất rộng phụ thuộc vào vật liệu chi tiết gia công và phơng pháp mài. Với mài tròn ăn dao ngang thì việc bóc tách vật liệu là liên tục (bỏ qua biến dạng đàn hồi của máy) thì tốc độ giảm kích thớc hớng kính của phôi là iw:
G d d v i s w f w + = 1 . (1.31)
ở đây vf là bớc tiến hớng kính của đá và dw; ds là đờng kính của phôi và đá. Việc tách rời iw và vf có ý nghĩa khi hệ số G nhỏ đờng kính đá khá nhỏ.
Có thể nhìn thấy tổng quát có 3 cơ chế mòn chủ yếu: Cùn hạt mài, vỡ hạt mài và tách rời hạt mài [35].
Chi tiết A B C C Hạt mài Chất kết dính phoi Hình 1.12: Cơ chế mòn đá A. Cùn; B. Vỡ hạt mài; C. Rơi hạt mài
Tuỳ thuộc vào điều kiện mài có thể xẩy ra các dạng mòn sau:
- Hạt mài nằm ở vị trí không thuận lợi trên bề mặt đá hoặc đợc giữ không chặt bởi chất kết dính, dới tác dụng của lực cắt chúng bị tách ra khỏi bề mặt đá. Nó có thể xẩy ra theo bề mặt liên kết (gẫy cầu liên kết) khi sửa đá hoặc do hạt mài bị phá huỷ về thể tích.
- Các cạnh và đỉnh của những hạt mài nhô ra nhiều nhất một phần bị vỡ vụn văng ra, một phần bị mòn và bị lì do ma sát với bề mặt chi tiết 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.
- Hạt mài bị vỡ mảnh lớn
- 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 ngng kết hoặc do tác dụng hoá học với vật liệu hạt mài bị dính vào các đỉnh hoặc trên bề mặt các hạt mài
Hình 1.13. Các dạng mòn của đá mài a) hạt mài bị cùn; b) hạt mài bị vỡ từng mảnh nhỏ; c) hạt mài bị vỡ mảnh lớn; d) hạt mài bị tróc; e) hạt mài bị mất các góc cắt;
g) hạt mài bị che lấp bởi phoi và các tạp chất;
- Khi các hạt mài bị vỡ và bị rơi ra, khi đó bề mặt làm việc đá mài liên tục để lộ ra các lớp hạt mài mới, sự khôi phục này đợc gọi là tính tự mài sắc của đá mài .
Các dạng mòn trên xuất hiện đồng thời trong quá trình mài, tuy nhiên tuỳ
thuộc vào điều kiện gia công cụ thể mà một dạng mòn nào đó thể hiện rõ nhất
1.5.1.3. Phân tích mòn đá mài
Đá mài bao gồm một lợng hạt mài rất cứng liên kết với nhau bằng vật liệu kết dính kém bền hơn. Thực tế thì mòn toàn bộ đá mài có tốc độ bằng tốc độ phá huỷ chất kết dính. Mòn hạt mài xảy ra trớc khi hạt mài vỡ và sau đó mới đến phá huỷ kết dính. Tốc độ mòn đá phụ thuộc vào tần suất phá huỷ chất kết dính.
Ta sẽ mô tả mòn đá theo các hệ số của tần suất phá huỷ kết dính. Mỗi lần hạt mài chạm vào bề mặt phôi sẽ có một xác suất Pb bị bật ra khỏi đá do phá hỏng kết dính.
Tổng trọng lợng các hạt mài bị mòn W bằng tích của xác suất phá huỷ kết dính, trọng lợng trung bình của tổng số hạt mài wtb và tổng số nhm hạt mài chạm vào bề mặt phôi:
W = Pb.wtb.nhm (1.32) Quan hệ trên nói lên mòn tổng cộng chứ không chỉ tổn thất do phá huỷ kết dính.
Với đá mài có chất kết dính thuỷ tinh do dễ vỡ nên phá huỷ kết dính phụ thuộc vào độ lớn của ứng suất đặt vào liên kết giữa các hạt mài. Sơ đồ trên hình 1.14 minh hoạ một hạt mài chịu ảnh hởng của thành phần lực tiếp tuyến ft và lực pháp tuyến fn. Mặc dù ta biết ứng suất phá hỏng kết dính trên mặt AB nhng không dễ dàng tính đợc giá trị của nó, dờng nh thành phần lực tiếp tuyến sinh ra ứng suất kéo và lực pháp tuyến sinh ra ứng suất nén. Giả thiết rằng các ứng suất tỷ lệ với các thành phần lực thì ứng suất kéo ở liên kết có thể tính:
σt = C1ft – C2fn (1.33) ở đây C1 và C2 là các hằng số phụ thuộc vào hình học hạt mài và chất kết dính.
Với các đá mài cứng hơn có nhiều kết dính hơn, cầu kết dính giữa các hạt mài gần nhau sẽ lớn hơn, điều này có nghĩa là ứng suất sẽ nhỏ hơn. Giả thiết rằng một mối quan hệ tỷ lệ giữa tiết diện ngang kết dính tại AB và trọng lợng Vb của chất kết dính thì ứng suất nén sẽ là: σt = K −b n t V f f β (1.34) Trong đó k và β là các hằng số mới. Đại lợng trong dấu ngoặc là hệ số ứng suất liên kết.
Từ đó ta thấy mức độ phá huỷ liên kết phụ thuộc vào hệ số ứng suất. Giá trị của ft và fn đợc dùng tính toán hệ số ứng suất liên kết trong hình bằng cách đo các thành phần lực tiếp tuyến Ft và lực pháp tuyến Fn của số hạt mài cắt trong vùng tiếp xúc giữa đá và phôi (số hạt mài cắt đợc đo trên một đơn vị diện tích phù hợp với diện tích tiếp xúc đá-phôi). Xác suất phá huỷ chất kết dính Pb với mỗi trờng hợp đợc tính bởi công thức (1.34) , tổng lợng mòn W phụ thuộc trọng lợng trung bình của mỗi hạt mài w và tổng N hạt chạm vào bề mặt.
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,