L ỜI CẢM ƠN
2.1. Ứng suất dư mài [30,31,32,33,34]
Quá trình mài là một quá trình tạo phoi đòi hỏi năng lượng cao để loại bỏ vật liệu đến các kích thước xác định. Năng lượng cao, kết quả là tạo ra nhiệt mà nó được tạo ra bởi sựtương tác của đá mài với phôi. Nhiệt năng sinh ra được hấp thụ bởi phôi làm tăng nhiệt độ của phôi từ lớp bề mặt vào các vùng dưới bề mặt.
Hình 2.1: Một đồ họa thông tin cho thấy sự phân bố nhiệt trong quá trình mài bánh răng [64].
2.1.1 Tương tác của Đá mài với phôi
Trong quá trình mài đá mài có ba tương tác chính với phôi là cắt, cày và cọ xát. Đặc biệt, việc cắt gây ra sự loại bỏ vật liệu bằng cách tạo ra các phoi. Mặt khác, cày đẩy vật liệu mà không loại bỏ bất kỳ vật liệu nào khỏi phôi gây ra sinh nhiệt và gia công nguội cứng. Đến lượt mình, sự cọ xát tạo ra nhiệt bằng cách trượt các hạt mài mòn của đá mài trên bề mặt phôi. Trong quá trình mài, cảba tương tác có thể được quan sát ở nhiều mức độ khác nhau. Mức độ của những tương tác này chủ yếu phụ thuộc vào tình trạng của đá mài. Ví dụ, khi sử dụng đá mài sắc, việc cắt sẽ hiệu quảhơn so với việc cày và chà xát.
2.1.2 Những vấn đề xẩy ra khi nhiệt độ của phôi tăng lên trong quá trình
mài.
Khi nhiệt độ của phôi tăng lên một thời gian ngắn; Có thể xảy ra các thay đổi tổ chức tế vi, biến dạng đàn hồi-dẻo khi cọ xát, cày xới và hình thành vết nứt và thậm chí là đứt gãy. Một sốthay đổi về tính toàn vẹn bề mặt rất có thểcũng được quan sát thấy.
Khi nhiệt độ của phôi đạt trên phạm vi Austenization hóa, bề mặt sẽ cứng lại và ứng suất dư nén cao sẽ hình thành trên bề mặt. Vật liệu cứng nhiệt này được gọi là Mactenxit không nung (UTM) và được gọi là vết cháy tái cứng (re-hardening burn). Với phân tích bằng kính hiển vi, UTM được biểu thị bằng một lớp trắng trên bề mặt. Các khu vực tái cứng này thường được bao quanh bởi các khu vực nóng gây ra vấn đề không đồng nhất trên thành phần. Điều này sẽ dẫn đến các vết nứt và rỗ bề mặt khi thành phần được đưa vào sử dụng. Một cách khả thi để tránh sự hình thành vết nứt là dùng phương pháp phun bi thép vào thành phần, điều này sẽ tạo ra ứng suất dư nén trên bề mặt do đó sự lan truyền vết nứt sẽ chậm lại hoặc dừng lại.
Khi nhiệt độ của phôi đạt trên phạm vi ủnhưng dưới phạm vi Austenization hóa, độ cứng giảm và ứng suất dư kéo sẽ xảy ra dưới bề mặt. Vật liệu được làm mềm bằng nhiệt này được gọi là mactenxit quá nhiệt (OTM) và được gọi là đốt tái nhiệt(re- tempering burn). Với phân tích bằng kính hiển vi, OTM được biểu thị bằng một lớp tối dưới bề mặt.
2.1.3. Yếu tốảnh hưởng đến sự hình thành ứng suất dư trong quá trình mài
Sự hình thành ứng suất dư trong quá trình mài là do biến dạng dẻo và chuyển pha bịảnh hưởng bởi các thông sốmài như tốc độ và tỷ lệbước tiến dao. Ví dụ, người ta biết rằng sự khác biệt về tốc độ quay của đá mài tạo ra các biên dạng ứng suất dư khác nhau.
Với tốc độ quay cao, lượng ứng suất dư kéo sẽtăng lên. Điều này có thể là do lượng nhiệt được tạo ra do tốc độma sát cao hơn cũng như các yếu tốcơ học khác, chẳng hạn như tải trọng tác dụng trên bề mặt của thành phần.
Nó cũng có thể được giải thích bởi sựgia tăng độ sâu của vết cắt. Loại đá mài, tốc độmài mòn, độ sâu của vết cắt và điều kiện mài cũng ảnh hưởng đến sự hình thành ứng suất dư.
Một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng quá nhiệt của thành phần (component) gây ra sự hình thành ứng suất kéo dư có liên quan đến mài mòn đá mài. Trong quá trình mài, các hạt mài trên đá mài có thể bị cùn do tải trọng cơ, nhiệt và mài mòn lý hóa.
Việc mài mòn đá mài có thể làm giảm hiệu suất làm việc của đá mài. Sau giai đoạn mài mòn, một số hạt mài có thể bị tách ra và thậm chí bị tách ra khiến đá mài có bề mặt nhẵn hơn, do đó đá mài sẽ có diện tích tiếp xúc với bộ phận tăng lên.
Bề mặt nhẵn hơn sẽ truyền nhiều nhiệt hơn đến thành phần do tốc độ ma sát cao hơn, điều này cũng làm rơi ra các hạt mài còn lại. Sau giai đoạn này, các lỗ rỗng mà chúng đã có hạt mài trước đây, sẽ chứa đầy các vụn kim loại của thành phần, điều này sẽ gây ra sựgia tăng cường độ của vùng ảnh hưởng nhiệt trên thành phần.
Việc mài mòn của đá mài phải được kiểm soát bằng các quy trình sửa đá mài thường xuyên. Quy trình sửa đá mài là một quá trình mài sắc, để lộ các hạt mài mới trên đá mài. Tuy nhiên, điều này sẽ làm giảm lớp mài mòn của đá mài và gây tốn kém nếu thực hiện quá thường xuyên.
Các thông số của chất làm mát như nồng độ, độ bền, thời gian phục vụ, tốc độ dòng chảy và đặc biệt là loại chất lỏng mài đóng một vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt do đó chúng ảnh hưởng lớn đến sự hình thành ứng suất dư trong quá trình mài.
Các gradient nhiệt độ đều ảnh hưởng đến sự hình thành của ứng suất dư mài và tính toàn vẹn bề mặt của bề mặt. Các gradient nhiệt độ được hình thành do sự truyền nhiệt liên tục giữa đá mài, chất làm mát, phôi, môi trường và các phoi hình thành. Điều rất quan trọng là phải làm mát hiệu quả trong quá trình mài vì có sự sinh nhiệt liên tục.
Bất kỳ quá trình xửlý trước vật liệu nào như xử lý nhiệt cũng sẽ có ảnh hưởng to lớn đến sự hình thành ứng suất dư. Mức độ nghiêm trọng của quá trình mài là một thông số quan trọng của trạng thái ứng suất dư cuối cùng. Nếu ứng suất dư kéo cuối cùng đủ lớn, đặc biệt trong trường hợp các thành phần được thấm cacbon, nó có thể gây ra vết nứt trên phôi. Biên dạng chiều sâu của ứng suất dư sẽ khác nhau đáng kể đối với quá trình mài lạm dụng và mài bình thường.
Ứng suất kéo dư cuối cùng cũng làm giảm tuổi thọ của phôi bằng cách giảm tuổi thọ mỏi của nó. Các tác động tiêu cực của ứng suất dư mài có thể được giảm bớt bằng cách gia công cơ khí hoặc xử lý nhiệt hoặc các hoạt động gia công nguội. Hoạt động mài bình thường được kỳ vọng sẽlàm tăng chất lượng bề mặt của phôi với giá trị độ nhám thấp và ứng suất dư nén.
Ứng suất dư phụ thuộc vào từng điều kiện gia công cụ thể, vì vậy cần chọn chế độvà phương pháp gia công sao cho tạo điều kiện thuận lợi cho ứng suất dư có lợi xuất hiện. Nếu trên bề mặt vật mài có lớp ứng suất dư nén thì chất lượng bề mặt chi tiết tốt, tăng độ bền mỏi của chi tiết. Ngược lại nếu trên bề mặt chi tiết gia công có lớp ứng suất dư kéo, độ bền của bề mặt chi tiết gia công giảm, dễ gây ra nứt và chi tiết có thể bị phá huỷđột ngột.
Sự khác nhau vềđặc điểm và topography của đá ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh nhiệt dẫn đến sự khác nhau về ứng suất dư. Vì tính chất nhiệt và tính chất cơ hóa của CBN tốt hơn của Al2O3, sựphân chia năng lượng nhiệt vào chi tiết gia công khi sử dụng đá CBN thấp nên hư hại do nhiệt giảm, cháy rất ít xuất hiện và ứng suất dư sinh ra chủ yếu là ứng suất dư nén [35,36,37,38,39].
Trong quá trình mài khi các hạt mài chuyển động cào xước trên bề mặt vật liệu, do biến dạng dẻo, vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt và hình thành các đường rãnh. Độ nén giãn của vật liệu phụ thuộc vào độ sắc của lưỡi cắt. Hình thái bề mặt của vật liệu khi mài với đá mài thông thường mặc dù sử dụng nhiều chất làm mát vẫn có nhiều đường xẻ rãnh. Hiện tượng trên dường như không xẩy ra đối với đá mài gián đoạn mặc dù mài ở chế độ có ít chất làm mát hơn. Điều này được giải thích là đối với đá mài gián đoạn, do duy trì được độ sắc của các lưỡi cắt nên vật liệu bị cắt đi và biến dạng ít, vì vậy có ít các đường xẻ rãnh hơn so với đá mài thông thường. Kết quả thu được cho phép tăng chiều sâu cắt, giảm mòn và giảm thời gian sửa đá [40].
Ứng suất dư bề mặt theo phương vuông góc với hướng mài của đá mài gián đoạn cũng thấp hơn khoảng 200Mpa so với đá mài thông thường và lớp vật liệu có ứng suất dư này cũng có chiều sâu lớn hơn. Một điều quan trọng nữa là ứng suất dư kéo trên bề mặt vật liệu (ứng suất có hại) khi mài gián đoạn là không đáng kể. Ứng suất cắt dưới
dưới sâu lớp bề mặt vật liệu (khoảng 30µm) khi mài bằng đá mài thông thường có giá trị lớn và tương đối ổn định (ở mức 40Mpa), trong khi đó đối với đá mài gián đoạn, ứng suất này giảm nhanh chóng gần như bằng 0 [40].
Tóm lại, có thể nói rằng ứng suất dư mài là kết quả của tương tác cơ nhiệt phức tạp giữa đá mài và phôi. Đó là một hiện tượng ma sát học (tribology phenomenon).Việc nghiên cứu vềứng suất của đá mài gián đoạn trong quá trình gia công là một trong những vấn đề rất quan trọng, làm tiền đề cho thiết kế, xây dựng các viên đá có kết cấu đảm bảo yêu cầu gia công và độ an toàn của hệ thống công nghệ.