L ỜI CẢM ƠN
1.2. Vật liệu hạt mài
Vật liệu dung làm hạt mài gồm hai loại: - Vật liệu thiên nhiên.
- Vật liệu nhân tạo.
Hiện nay thườngdùng các vật liệu nhân tạo vì tính phổ biến, có các tính chất cắt gọt được nâng cao.
a) Vật liệu thiên nhiên.
Gồm các loại như:
- Kim cương tự nhiên: Được hình thành từ Cacbon tinh, độ cứng cao nhất trong tất cả các vật liệu hạt mài ≈9000Kg/mm2,
nhiệt độ trên 700÷800oC thì chuyển thành graphit. - Corundun tự nhiên: Là Al2O3pha α.
- Các khoáng chất: Cacbonrun, hỏa thạch và thạch anh.
b) Vật liệu nhân tạo.
- Kim cương nhân tạo: Nhận khi thiêu kết graphit dưới nhiệt độ, áp suất cao (xấp xỉ 100000 at và nhiệt độ: 2500÷2700oC). Tính chất vật lý tương đương kim cương tự nhiên nhưng có độ dẫn nhiệt cao hơn nên chịu được tốc độ cắt lớn hơn.
- Corundun nhân tạo: Thành phần chủ yếu là oxit nhôm điện: Al2O3 gọi là corundun điện do tổng hợp quặng Bôxit từ lò điện.
Corundun gồm có các loại sau:
+ Corundun điện thường: Có màu da cam đến hồng.
Thành phần: 93÷95% Al2O3; chịu nhiệt 1250÷1230oC. Dùng để chế tạo các dạng đá mài thô và bán tinh kim loại đen, mài sác dao từ thép dụng cụ.
+ Corundun điện trắng: Có màu trắng.
Thành phần: 98÷99% Al2O3; chịu nhiệt 1700÷1800oC. Có khẳ năng tự mài sắc tốt hơn. Ứng dụng mài mọi trường hợp cho kim loại đen và dụng cụ từ thép dụng cụ; chế tạo thanh mài; bột nhão đánh bóng.
+ Ngoài ra còn có các loại Corundun được hợp kim hóa bằng Crom, titan… cho ta đá mài Corundun điện Crom, Corundun điện titan. Tính mài của các loại hạt mài này cao hơn, năng suất cũng được tăng lên.
Một số vật liệu mài thông dụng và thành phần hóa học của một số Corundun cơ bản được thể hiện trong bảng 1.1 và 1.2dưới đây.
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của một số Corundun cơ bản.
1.3 độ hạt của hạt mài
Độ hạt của hạt mài là một thông số quan trọng giúp ta đánh giá kích thước của hạt mài, độ hạt càng cao thì kích thước của hạt mài càng min. Độ hạt là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng và khẳ năng gia công của hạt mài.
Trên thế giới áp dụng nhiều tiêu chuẩn đánh giá độ hạt khác nhau, trước đây độ hạt của đá mài được quy ước ký hiệu bằng số lỗ có trong một tấc vuông Anh của dây phân loại hạt. Cách ký hiệu như vậy hiện nay vẫn cònđược sử dụngở một số nước. Hiện nay người ta quy ước ký hiệu độ hạt mài bằng trị số kích thước của lỗ dây. Thể hiện ở bảng 1.3dưới đây.
Bảng 1.3: Độ hạt và kích thước hạt mài.
Ký hiệu mới (X0.01mm) Kí hiệu cũ Giới hạn của các kích thước dài (µm)
Hạt mài 200 10 2500-2000 160 12 2000-1600 125 16 1600-1250 100 20 1250-1000 80 24 1000-8000 63 30 800-630 50 36 630-500 40 46 500-400 32 54 400-315 Л25 60 315-250 Л20 70 250-200 Л16 80 200-160 Bột mài 12 100 160-125 10 120 125-100
8 150 100-80 6 180 80-63 5 230 60-50 4 280 50-40 3 320 40-28 Bột mài mịn (1.10-2mm ) M40 40-28 M28 28-20 M20 20-14 M10 14-10 M7 10-7 M7 7-5 M5 5,3-5 1.4 chất dính kết
Chất dính kết là môi trường để liên kết các hạt mài thành khối trước khi ép chúng vào khuôn, định hình viên đá.
Có các loại chất dính kết sau:
+ Chất kết dính vô cơ. + Chất kết dính hữu cơ. + Chất kết dính kim loại.
a) Chất kết dính vô cơ:
Đây là một loại chất dính kết được dung rất phổ biến.
- Thành phẩn thường là đất sét chịu nhiệt, thủy tinh lỏng, thạch anh. - Dùng làm đá mài nói chung, trừ đá mài rãnh hẹp, đá mài cắt đứt. - Tốc độ cắt ≈ 30 m/s, đặc biệt có đá đến 60 m/s.
- Độ bền ẩm, chịu nước cao, bền nhiệt và hóa cao. - Chịu tải trọng uốn, va đạp kém.
b) Chất dính kết hữu cơ:
- Có thể là Bakêlit: Đây là sản phẩm của Phenol phản ứng với Focmalin hoặc Vuncanhit: Chủ yếu từ cao su tổng hợp.
- Đá từ Bakêlit có tính đàn hồi tốt, độ bền cao nên tốt cho đá cắt đứt, nhược điểm là sức bền cơ học kém trong môi trường kiềm.
- Đá từ Vuncanhit có tính đàn hồi tốt, chịu được tốc độ cắt cao, dung làm đá cắt mỏng (0,3 ÷ 0,5 mm). Nhược điểm là chịu nhiệt kém, do đó yêu cầu phải có phương án thoát nhiệt tốt.
c) Chất dính kết kim loại: Thường dùng chế tạo đá mài kim cương.
Bảng 1.4: Một số chất kết dính thông dụng trong sản xuất.
Kí hiệu chất dính
kết Việt nam Nga
Trung quốc Tiệp khắc Mỹ Gốm G K V V V Bakêlit K B B B Vunkanic V B R R R 1.5 độ cứng của đá mài
Độ cứng là một trong nhữngthông số quan trong nhất củađá mài. Độ cứng của đá mài là khả năng khó hay dễ tách ra khỏi bề mặt đá của hạt mài trong quá trình mài dưới tác dụng của ngoại lực.
Độ cứng của hạt màiđược đo bằng nhiều phương pháp: phun cát, lăn bằng con lăn thép tôi với tải trọng nhất định theo bề mặt đámài, dụng cụ đo độ cứng rôcoen…và dựa trên chiều sâu của vết để lại trên bề mặt dụng cụ mài để đánh giá độ cứng.
Tuy nhiên những phương pháp trên đều chưa đặc trưng được hoàn toàn khả năng làm việc của đá mài. Tiêu chuẩn khách quan hơn để đánh giá chất lượng của đá mài là tuổi bền đá(thời gian làm việc giữa hai lần sửa đá), hoặc số chi tiết gia công được trong khoảng thời gian đó hoặc lượng tiêu hao đá (tính bằng cm3) khi cắt đi được 1cm3vật liệu gia công. Người ta quy định thang độ cứng từ mềm đến đặc biệt cứng:
Bảng 1.5: Thang độ cứng của đá mài và ký hiệu.
Độ cứng Ký hiệu Đá mềm M Đá mềm vừa Mv Đá mềm trung bình TB Cứng vừa Cv Cứng C Rất cứng Rc Đặc biệt cứng CĐB
Trong mỗi loại độ cứng còn có thang phân nhỏ hơn, theo hướng độ cứng tăng dần. Ví dụ: M1, M2, M3.
1.6. Cấu trúc đá
Phản ánh mật độ của hạt mài và chất kết dính trong đá và % lỗ xốp trong đá mài. - Về mặt thể tích ta có: Vđ = Vhạt mài + Vkết dính + Vlỗ trống = 100%
- Cấu trúc đá được quy định theo 12 cấp từ: 1 ÷ 12. Số cấp càng lớn thì đá càng xốp: nghĩa là % hạt mài càng ít và chất kết dính + lỗ trống chiếm % càng cao.
• Cấu trúc No1 ÷No4: Chặt • Cấu trúc No5 ÷No8: Vừa • Cấu trúc No9 ÷No12: Xốp - Ứng dụng:
• No1 ÷No4: Mài định hình, đá cắt, đá mài dung trong trường hợp lực mài lớn và thay đổi.
• No5 ÷No6: Mài tròn ngoài, mài vô tâm, mài phẳng, mài sắc dụng cụ. • No7 ÷No9: Đá mặt đầu để mài phẳng, mài lỗ.
• No8 ÷No10: Mài và mài sắc dụng cụ. • No8 ÷No12: Mài ren bằng đá mài hạt mịn.
1.7. Ký hiệu đá mài
Với mỗi nước do trình độ kỹ thuật và điều kiện sản xuất khác nhau nên ký hiệu đá mài ở mỗi nước cũng khác nhau.
• Ký hiệu 1 viên đá mài của Mỹ là:W A46 K5 V17
Trong đó:
W: Mã đá (mã của nhà sản xuất)
A: Tên loại hạt vật liệu mài, ở đây chữ “A” là ký hiệu của Aluminumoxide, ngoài ra còn có Silicon carbide ký hiệu là chữ “C”
46: Cỡ hạt mài, người ta phân chia thành cac loại hạt như sau: Loại Nhỏ: 8-24 (1.10-3 mm)
Loại trung bình: 30-60 Loại tốt: 70-180 Loại rất tốt: 220-600
K: Độ cứng, nó được ký hiệu bởi các chữ cái từ A, loại mềm nhất đến Z, loại cứng nhất.
5: Cấu trúc đá, khoảng trống giữa các hạt mài được biểu diễn bởi các số từ 1 đến 15 trong đó cấu trúc 1 là khoảng trống nhỏ nhất còn 15 là rộng nhất.
V: Thủy tinh
B: Nhựa (thông)
R: Cao su
E: Nhựa cây
17: Mã chất kết dính (mã của nhà sản xuất).
• Kí hiệu của 1 viên đá mài Việt Nam: Cn 36 CV1 G 6 V1 400 x 40 x 127 Trong đó:
Cn: Hat mài conrundun
CV1: Độ cứng vừa 6: Cấu trúc 6 400 x 40 x 127: Kích thước đá 36: Cỡ hạt 36 G:Chất kết dính gốm V1: Dạng hình dạng đá 1.8. Đá mài xẻ rãnh.
Hiện nay các phương pháp mài có sử dụng đá mài thường dùng các loại đá mài thông thường. Bên cạnh những ưu điểm đã đạt được thì khi gia công với loại đá mài này cũng đã cho thấy những hạn chế về năng suất gia công và khuyết tật bề mặt chi tiết khi mài. Các phân tích cho thấy nguyên nhân chính của những hạn chế trên là do sự làm việc liên tục của hạt mài trong quá trình gia công.
Để khắc phục những hạn chế của đá mài liên tục thông thường, xuất phát từ nguyên nhân của những hạn chế đó, một trong những hướng đi mới không những được các nước trên thế giới tập trung nghiên cứu mà ở Việt Nam cũng được rất nhiều nhà khoa học quan tâm, đó là xây dựng lên các loại đá mài có hình dáng hình học mới giúp cải
thiện năng suất gia công, giảm khuyết tật bề mặt. Trong đó, việc tập trung nghiên cứu phát triển đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn đã được thực hiện. Quá trình mài sử dụng đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn đã cho thấy nhiều kết quả ưu việt với khả năng giảm nhiệt cắt, lực cắt, năng lượng tiêu thụ, tăng năng suất gia công và hiệu quả làm việc của hạt mài.Bên cạnh đó, đá mài gián đoạn cũng cho thấy những ưu điểm về tiết kiệm chi phí sảnxuất, chế tạo, sửa chữa, tăng độ an toàn trong gia công cũng như nhiều kết quả khả quan khác.
1.8.1. Tình hình nghiên cứu về đá màigián đoạn trên thới giới và trong nước.
1.8.1.1. Đá mài gián đoạn hay đá mài xẻ rãnh trên thế giới nghiên cứu.
Các nghiên cứu về đá mài gián đoạn đã được bắt đầu thực hiện cùng với đá mài thường từ những năm 1970 như là một phần của các nỗ lực nhằm đánh giá ảnh hưởng của tốc độ cao đối với quá trình mài. Các nhà khoa học Yamamoto (năm 1972), Anon (năm 1979), Abdel-Alim, Hannam và Hinduja (năm1980) là những người thựchiện các nghiên cứu đầu tiên [92].
Tác giả Hao Nan Li, Dragos Axinte [22] đã tổng hợp được sự phát triển của đá mài gián đoạn của rất nhiều tác giả trên thế giới từ những năm 1925 đến năm 2015. Vào năm 1925đến năm 1970, một số khái niệm đơn giản về giảm số lượng hạt mài ở vùng tiếp xúc được đề xuất do các tác giả đã tìm thấy cháy trên bề mặt và vết mòn của đá mài do nhiệt cục bộ gây ra [24]. Bằng việc xẻ rãnh trên bề mặt của đá đã làm nhiệt độ khi cắt giảm đáng kể [23]. Xuất phát từ việc khắc phục các nhược điểm của đá mài tròn thường là nhiệt cắt và lực cắt trong quá trình mài lớn. Các nhà khoa học và các học giả trên thế giới ban đầu đã nghiên cứu việc giảm nhiệt cắt bằng cách gắn các thanh mài lên bề mặt đá mài. Những nghiên cứu này, bước đầu đã đặt nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn.
Trong quá trình gia công, tốc độ đá, tốc độ chi tiết càng lớn thì chiều sâu cắt càng lớn do đó hiệu quả mài càng cao. Cùng với điềunày, nhiệt mài càng tăng đặc biệt với các loại vật liệu khó cắt (hệ số dẫn nhiệt thấp) thì càng khó mài. Như vậy, ở giai đoạn này đá mài xẻ rãnh chủ yếu cải tiến ở hiện tượng làm mát khu vực mài với mục đích cung cấp dung dịch trơn nguội vào khu vực cắt.
Theo các bằng sáng chế của tác giả [25] [26] đã nghiên cứu việc gắn các thanh mài lên đĩa mài. Các thanh mài có các hình dạng khác nhau như: hình lăng trụ, lục giác, vòng cung, lập phương, và các hình dạng khác được dính kết hoặc bắt vít lên trên bề mặt đá (Hình 1.4).
Hình 1.3: Đá mài gián đoạn với các thanh mài (a) hình lăng trụ (b) hình lục giác [25] [26].
Hình 1.4: Một số hình dạng cơ bản của đá mài (a) bàn cờ, so le, chéo, và hình V và (b) so le, chéo, đối xứng và song song;(c) có khoảng cách cắt chân (d) hình côn [21].
Tác giả J.C. Aurich, B. Kirsch [20] cũng cho thấy đá mài xẻ rãnh có khả năng giảm nhiệt tốt hơn so với các đá mài thường dưới các điều kiện gia công cụ thể. Vấn đề này được tác giả giải thích như sau:
Đối với đá mài thường, quá trình gia công được thực hiện liên tục trên bề mặt đá, số lượng lưỡi cắt tham gia quá trình cắt lớn nên số lượng phoi mài tạo ra trong quá trình cắt cũng lớn. Các phoi mài không được đẩy ra ngoài vùng cắt sẽ tích tụ lại nhanh chóng tại các lỗ trống giữa các hạt mài. Sự tiếp cận của chất làm mát khi mài với đá mài thường gần như chỉ thực hiện ở đầu vùng mài, mà hầu như không có sự tác động trực tiếp vào khu vực mài để làm sạch bề mặt và cuốn phoi mài ra ngoài. Điều này càng làm tăng sự tích tụ của phoi, dẫn đến làm tắc nghẽn các lỗ xốp trên bề mặt đá mài. Các hạt mài gần như bị bít lại bởi các đám phoi và mất đi khả năng tự mài sắc. Kết quả là dẫn đến hiện tượng cùn, bết đá. Đây là nguyên nhân khiến cho các hạt mài mất đi khả năng cắt, giảm hiệu quả bóc tách vật liệu.
Do hình dạng đá mài xẻ rãnh có 2 vùng là vùng làm việc và vùng không làm việc. Khi gia công tại vùng làm việc, thời gian tiếp xúc giữa đá và chi tiết giảm xuống còn tại vùng không tiếp xúc trở thành bể chứa dung dịch trơn nguội dùng để bôi trơn cho vùng làm việc tiếp theo, ngoài ra tại đây vùng không gianchứa phoi cũng được mở rộng làm cho chất lượng chi tiết bề mặt gia công cũng được cải thiện.
Hình 1.5: Sự tạo thành áp lực chất làm mát trước vùng tiếp xúc trong quá trình mài cho các bánh mài tiêu chuẩn (trái) và có khe (phải).
Hình dạng của đá mài xẻ rãnh bước đầu được các nhà khoa học và các học giả trên thế giới nghiên cứu là các loại đá có gắn các thanh mài lên trên đĩa mài.
Hình 1.6: Hình ảnh đá mài xẻ rãnh trên thế giới nghiên cứu [22].
Ngày nay, các nhà khoa học dựa trên hình dạng của các đá mài xẻ rãnh đã được nghiên cứu trước đó để sắp xếp các hạt mài thành những bông hoa để phục vụ cho việc mài các sản phẩm đặc chủng theo yêu cầu của nhà sản xuất.
Hình 1.7: Đá mài xẻ rãnh có các hạt mài được sắp xếp theo khuôn mẫu kiểu hoa [22].
Trong thời gian gần đây, sự phát triển của các vật liệu có độ xốp siêu cao sử dụng công nghệ đùn ép vật liệu mài mòn đã cho phép sự phát triển của đá mài gồm các lớp hạt mài với chiều dày thông thường có khả năng hoạt động với vận tốc cắt lên đến 180 m/s (Hình 1.8).
Hình 1.8:Đá mài của hãng Saint-Gobain Abrasives có vận tốc cắt đến 180m/s [4].
Ởcác nước có nền gia công cơ khí phát triển trình độcao như Nhật Bản, Mỹ... đã có nhiều công trình nghiên cứu, ứng dụng loại đá mài gián đoạn vào sản xuất. Ở các quốc gia này, đá mài có bề mặt gián đoạn đã được áp dụng để gia công tinh những loại vật liệu đặc biệt khó gia công như: Ceramic, magie và các loại thép hợp kim cao…
1.8.1.1. Đá mài gián đoạn hay đá mài xẻ rãnh do Việt Nam đang nghiên cứu.
Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, việc nghiên cứu, ứng dụng đá mài có bề mặt gián đoạn đã được nhiều nhà khoa học thực hiện. Các nghiên cứu, thí nghiệm đã được thực hiện để đánh giá sự ứng xử của vật liệu, các thông số công nghệ khi tiến hành gia công bằng đá màigián đoạn và đã nói lên phần nào ưu điểm của viên đá mới so với đá mài thông thường về phương diện lực cắt, nhiệt cắt.