Một số tiêu chí đánh giá quá trình mài

6. Nội dung đề tài:

2.1.8. Một số tiêu chí đánh giá quá trình mài

2.1.8.1. Mòn và tuổi bền của đá

Trong quá trình mài, lưỡi cắt trên các hạt mài sẽ bị mòn và cùn, hình dáng hình học của mặt cắt của đá mài sẽ bị biến dạng. Độ mòn của đá mài phụ thuộc vào chế độ mài, đặc tính đá, các điều kiện tiến hành quá trình mài và nhiều yếu tố khác nữa. Thời gian mài càng tăng, bể mặt làm việc của đá càng nhẵn hơn, các đỉnh nhọn của hạt mài sẽ bị cùn và tù nhiều hơn (Hình 2.6.a ). Khả năng ăn sâu vào kim loại của các hạt mài càng khó khăn hơn, áp lực tác động lên hạt mài sẽ không ngừng tăng cho đến khi xuất hiện hiện tượng phá vỡ hat mài cục bộ (Hình 2.6.b ) và toàn phần (Hình 2.6.c )

Hình 2.6. Các trạng thái mòn của đá mài 7

Lúc này hình thành một lơp hạt cắt có các mặt cắt với cácđỉnh nhọn mới, khả năng cắt của đá được phục hồi, gọi dó là hiện tượng tự mài sắc.

Độ bám của chất kết dính không cao cũng góp phần gây lên hiện tượng tương tự như mài sắc của đá vì sẽ làm cho các hạt mài đã bị cùn dễ dàng bứt hoàn toàn ra khỏi bề mặt làm việc tạo ra một lớp bề mặt làm việc với các hạt cắt mới có khả năng

cắt cao hơn (Hình 2.6.d).

Khi sử dụng đá mài có độ cứng cao và khi mài tinh hiện tượng tự mài sắc không xảy ra. Do vậy khi đá bị mòn nhám bề mặt tăng lên, xuất hiện các dao động, khả năng cắt của đá giảm đi rất nhanh ta buộc phải tiến hành sửa đá [16].

Quá trình mòn của đá mài chia làm 3 giai đoạn [17]:

- Giai đoạn I: Giai đoạn mòn ban đầu. Trong giai đoạn này, thời gian mòn nhỏ nhưng độ mòn lớn. Nguyên nhân là do sau khi sửa đá các hạt mài có đỉnh sắc nhọn và nhiều hạt không bám chặt vào chất dính kết. Các hạt mài này sẽ bị mài mòn đỉnh nhọn nhanh chóng hoặc bị bật khỏi đá mài.

- Giai đoạn II: giai đoạn mòn ổn định (còn gọi là mòn bình thường). Thời gian làm việc của đá được tính trong giai đoạn này. Độ mòn của đá trong giai đoạn này chủ yếu phụ thuộc vào tải trọng cơ nhiệt.

- Giai đoạn III: Giai đoạn mòn khốc liệt. Khi này, các hạt mài đã bị mất các cạnh sắc và các lỗ rỗng trên bề mặt đá mài bị phoi và các sản phẩm của quá trình mòn lấp đầy. Đá mất khả năng cắt. Vì vậy, đến giai đoạn này cần tiến hành sửa đá.

Tuổi bền của đá mài là khoảng thời gian làm việc liên tục của đá giữa hai lần sửa đá.Tuổi bền của đá là một chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật rất quan trọng. Để xác định tuổi bền của đá, có thể dùng các chỉ tiêu đánh giá sau [7]:

- Kinh nghiệm của người thợ: Theo phương pháp này, thời điểm sửa đá được quyết định bởi người thợ mài dựa trên đánh giá chủ quan và kinh nghiệm của họ khi quan sát các hiện tượng xảy ra khi mài (như âm thanh khi mài, các vết gia công, vết gằn, vết cháy trên bề mặt mài vv...). Phương pháp này không chính xác nhưng đơn giản, rẻ tiền nên thường dùng trong sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ.

- Gia công các chi tiết thử nghiệm: Nội dung của phương pháp này là: tiến hành gia công các chi tiết thử nghiệm và đo các thông số đánh giá chất lượng chi tiết như độ chính xác, độ nhám bề mặt (Ra, Rz) vv... Từ đó xác định tuổi bền của đá căn cứ vào giá trị cho phép của các thông số. Phương pháp này cho độ chính xác khá cao; việc thực hiện không quá phức tạp và tốn kém. Tuy nhiên, thời gian thực hiện khá lâu.

- Thông qua lực hướng kính Py hoặc lực tiếp tuyến Pz: thời điểm sửa đá sẽ được xác định dựa trên sự tăng của lực Py hoặc Pz khi đá mòn. Phương pháp này cho kết quả khá chính xác. Tuy nhiên nó đòi hỏi chi phí cao và việc xây dựng quan hệ giữa lực Py hoặc Pz với các thông số khi mài khá phức tạp.

- Thông qua năng suất cắt khi mài: theo phương pháp này, thời điểm sửa đá sẽ được quyết định bởi năng suất giới hạn khi mài (tốc độ bóc kim loại giới hạn).

- Thông qua nhiệt cắt khi mài: theo phương pháp này, thời điểm sửa đá sẽ được quyết định khi theo dõi sự tăng lên của nhiệt cắt khi mài. Phương pháp này cho kết quả khá chính xác. Tuy nhiên nó khá phức tạp và đòi hỏi chi phí cao.

- Thông qua chỉ tiêu rung động trong quá trình cắt: theo phương pháp này cần phải đo rung động của hệ thống công nghệ theo phương lực Py và quyết định thời điểm sửa đá dựa trên ảnh hưởng (tăng) đến rung động do đá mòn.

Qua phân tích các phương pháp nêu trên, nghiên cứu này đã chọn phương pháp “Gia công các chi tiết thử nghiệm” với việc đo thông số độ nhám bề mặt Ra để xác định thời điểm sửa đá – phục vụ cho việc đánh giá các chế độ sửa đá khi mài.

2.1.8.2. Nhám bề mặt khi mài

Nhám bề mặt mài được tạo nên bởi các vết cào xước chồng lên nhau của các điểm cắt có chiều cao rất ngẫu nhiên và không bằng nhau.

Nhám bề mặt khi mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Sự hình thành nhám bề mặt trước hết là do in dập quỹ đạo chuyển động của các hạt mài. Vết của các hạt mài tạo ra biên dạng hình học tế vi trên bề mặt gia công. Chế độ cắt ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động của các hạt mài vì vậy ảnh hưởng tới nhám bề mặt mài: tăng Sd, VB làm tăng chiều sâu cắt t của các hạt mài, do đó nhám bề mặt tăng; tăng tốc độ cắt Vđ làm tăng sự “xếp chồng” đường cắt của các hạt mài nên chiều sâu cắt t giảm dẫn đến nhám bề mặt mài giảm nhiều. Ngoài ảnh hưởng trực tiếp như trên, chế độ cắt còn ảnh hưởng gián tiếp đến độ nhám bề gia công, nhiệt cắt và rung động (vì nhiệt cắt, rung động tăng thì nhám bề mặt tăng) [7].

mài: hạt mài có kích thước lớn hơn, sửa đá thô hơn dẫn đến độ nhám bề mặt tăng. - Rung động làm tăng nhám bề mặt.

- Mức độ biến dạng dẻo của vật liệu càng lớn thì nhám bề mặt càng cao: khi mài vật liệu dẻo, dai cho nhám bề mặt cao hơn so với mài vật liệu cứng, giòn.

- Nhiệt độ ở vùng mài càng cao thì vật liệu gia công ở lớp bề mặt càng biến dạng dẻo mạnh đồng thời còn có thể gây cháy, nứt bề mặt: công nghệ tưới nguội, hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công và của đá mài ảnh hưởng tới nhiệt độ ở vùng mài qua đó ảnh hưởng tới nhám bề mặt khi mài.

Để đánh giá nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau:

1- Phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich): phương pháp này đo được bề mặt có nhám bề mặt thấp thường từ 0,01 ÷ 0,16 µm.

2- Phương pháp đo nhám Ra, Rz, Rmax...bằng máy đo prôfin: phương pháp này sử dụng mũi dò để đo prôfin lớp bề mặt có cấp độ nhám đến cấp 11.

3- Phương pháp so sánh:

- So sánh bằng mắt: dùng mắt quan sát và so sánh bề mặt gia công với bề mặt vật mẫu và kết luận xem bề mặt gia công đạt cấp độ bóng nào. Phương pháp này đơn giản, có thể xác định được cấp độ nhám từ cấp 3 đến cấp 7 nhưng độ chính xác thấp và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người thực hiện.

- So sánh bằng kính hiển vi quang học: dùng kính hiển vi quang học để quan sát và so sánh bề mặt gia công với bề mặt vật mẫu và kết luận xem bề mặt gia công đạt cấp độ nhám nào. Phương pháp này có độ chính xác cao hơn nhưng vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thực hiện.

2.2. Xây dựng hệ thống thí nghiệm

- Máy mài: máy mài phẳng MOTO – YOKOHAMA – Nhật Bản sản xuất (Hình 2.7). Thông số kỹ thuật của máy thể hiện trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của máy mài phẳng MOTO – YOKOHAMA STT Thông số kỹ thuật 1 Kích thước bàn máy (mm) 510x250 2 Hành trình X (mm) 300 3 Hành trình Y (mm) 300 4 Hành trình Z (mm) 150 5 Đường kính đá (mm) 300 6 Tốc độ lớn nhất của trục chính (vg/ph) 1700

7 Công suất động cơ trục chính (kW) 1,5

8 Khối lượng máy (tấn) 2

9 Kích thước DxRxC (m) 1,8x1,65x1,35

Hình 2.8. Máy mài phẳng MOTO – YOKOHAMA.

- Đá mài: Đá mài Hải Dương Cn46TB2GV1.300.32.127.30 m/s (Hình 2.9) - Bút sửa đá: Bút sửa đá kim cương nhiều hạt 3908-0088C, kiểu 02 do Nga sản xuất, (Hình 2.10)

Hình 2.9. Đá mài Hải Dương Cn46TB2GV1.300.32.127.30 m/s

Hình 2.10. Bút sửa đá kim cương nhiều hạt

- Dung dịch tưới nguội: Caltex Aquatex 3180, nồng độ 3%, lưu lượng 10 lít/phút - Máy đo nhám bề mặt: SJ - 201 – Mitutoyo – Japan, (Hình 2.11)

Hình 2.11. Ảnh Máy đo nhám Mittutoyo SJ-201

- Chi tiết gia công: Thép SKD 11, kích thước a x b x h = 70 x 40 x 25 mm, thể hiện như Hình 2.12.

Hình 2.12. Hình dáng phôi thí nghiệm.

2.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Genichi Taguchi (Nhật bản) là người đặt nền móng cho phương pháp thiết kế thí nghiệm này, cũng là người đề ra phương pháp thực nghiệm mang tên ông. Các ma trận thí nghiệm được thiết kế dựa vào các ma trận trực giao cố định. Các thông số công nghệ đưa vào ma trận thí nghiệm với số lượng lớn (3÷50) và các mức có thể khác nhau (cả trị số và số lượng). Điều này cho phép xác định được ảnh hưởng của hầu hết các thông số đến giá trị trung bình của kết quả đầu ra với số lượng thí nghiệm nhỏ nhất, thời gian và chi phí ít nhất. Đồng thời xác định được các thông số ảnh hưởng mạnh nhất đến các kết quả đầu ra, từ đó đưa ra những thử nghiệm tiếp theo và loại bỏ những thông số có ảnh hưởng không đáng kể (ảnh hưởng yếu). Mục đich là điều chỉnh các thông số đến mức tối ưu để quá trình/sản phẩm ổn định ở mức chất lượng tốt nhất. Do đó phương pháp này cho phép sử dụng tối thiểu các thí nghiệm cần thiết để để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên một đặc tính được lựa chọn nào đó của một quá trình/sản phẩm từ đó nhanh chóng điều chỉnh các thông số tiến đến tối ưu nhanh nhất.

Phương pháp Taguchi sử dụng tỷ số tín hiệu/nhiễu (signal-to-noise) S/N Tỷ số S/N: Thí nghiệm có giá trị tỷ số S/N cao nhất sẽ cho kết quả tối ưu ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhất. Tỷ số S/N dùng để xác định mức cho kết quả đầu ra tối ưu. Tỷ số S/N của các kết quả đầu ra được xác định như sau.

- Phân tích bài toán: Trong quá trình tối ưu hóa bài toán tĩnh ta có thể sử dụng 3 hệ số (S/N) tương ứng với các trường hợp sau:

+ Nhỏ hơn là tốt hơn

S/N = -10 Log10 [MSD] (2.6) MSD – Tổng bình phương trung bình của các giá trị đo.

n y y y MSD n 2 2 2 2 1  ... 

Công thức trên thường được sử dụng trong các trường hợp xuất hiện các hiện tượng không mong như: các khuyết tật, sai số… mà trị số lí tưởng là bằng không.

Ngoài ra khi giá trị lí tưởng là một trị số hữu hạn và một giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất được xác định bởi k, tiếp theo sự khác nhau giữa giá trị đo và giá trị lí tưởng dự kiến sẽ càng nhỏ càng tốt. Và hệ số S/N sẽ trở thành: S/N = -10 Log10 [MSD] n k y k y k y MSD n 2 2 2 2 1 ) ( ) ... ( ) (        + Lớn hơn là tốt hơn: S/N = -10 Log10 [MSD] (2.7) MSD – Tổng nghịch đảo bình phương trung bình của các giá trị đo.

n y y y MSD n 2 2 2 2 1 1 ... 1 1    

+ Giá trị danh nghĩa là tốt nhất:

S/N = -10 Log10 [MSD] (2.8) n m y m y m y MSD n 2 2 2 2 1 ) ( ) ... ( ) (        m – Giá trị mục tiêu.

Trong mọi trường hợp, tỷ số S/N càng lớn thì đặc tính nhận được càng tốt. Phương pháp thực nghiệm Taguchi do không sử dụng toàn bộ các tổ hợp thí nghiệm nên không đưa ra được một con số chính xác về ảnh hưởng của một thông số đầu vào nào đó đến kết quả đầu ra mà chỉ mang tính chất định hướng. Mặc dù vậy, bằng việc đánh giá qua tỷ số S/N giúp những nhà công nghệ biết xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến kết quả đầu ra. Từ các nhận biết này sẽ giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng tìm ra các thông số công nghệ và phạm vi cần tác động để nhận được hiệu quả đầu ra tốt nhất. Trên cơ sở đánh giá ảnh hưởng riêng lẻ các thông số có thể tìm ra được tổ hợp các thông số công nghệ tối ưu cho kết quả đặc tính đầu ra mong muốn.

Quá trình sửa đá thực hiện qua 3 bước, sửa đá thô, sửa đá tinh và cuối cùng là sửa đá không ăn dao. Tác giả sử dụng sơ đồ thí nghiệm thiết kế theo phương pháp Taguchi để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ sửa đá (Chiều sâu sửa đá thô ar, só lần sửa đá thô nr, chiều sâu sửa đá tinh af, số lần sửa đá tinh nf, số lần sửa không ăn dao nnon) đến trị số nhám bề mặt.

2.4. Lựa chọn thông số và điều kiện thí nghiệm

Luận văn lựa chọn sáu thông số để thực hiện thí nghiệm thực nghiệm gồm: Lượng chạy dao sửa đá S [m/ph], chiều sâu sửa đá thô ar [mm/HT], số lần sửa thô nr

[lần], chiều sâu sửa tinh af [mm/HT], số lần sửa tinh nf [lần], số lần chạy không ăn dao nnon [lần]. Mức và trị số của các hông số thể hiện như trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Các mức thí nghiệm của các thông số đầu vào S, ar, nr, af, nf và nnon

Mức Biến

1 2 3 4

Lượng chạy dao sửa đá S [m/ph] 1,6 1,8 - -

Chiều sâu sửa đá thô ar [mm/HT] 0,015 0,02 0,025 0,03

Số lần sửa thô nr [lần] 1 2 3 4

Chiều sâu sửa tinh af [mm/HT] 0,005 0,01 - -

Số lần sửa tinh nf [lần] 0 1 2 3

Số lần chạy không ăn dao nnon [lần] 0 1 2 3

Phần mềm Minitab 19 được sử dụng để thiết kế Taguchi L16 (4^4 2^2). Cách thức khai báo các thông số đầu vào cho bước khởi tạo kế hoạch thí nghiệm được minh họa trên Hình2.13, kế hoạch và kết quả thí nghiệm thể hiện như Bảng 2.2.

a) b)

Hình 2.13. Khai báo biến thí nghiệm theo phương pháp Taguchi (L16 = 4^4 2^2 = 16 thí nghiệm).

c)

Như đã phân tích, sửa đá gồm có ba bước: Sửa thô, sửa tinh và sửa đá không ăn dao (chạy không) có nhiều ưu điểm. Tác giả sử dụng sơ đồ thí nghiệm thiết kế theo phương pháp Taguchi để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ sửa đá (Chiều sâu sửa đá thô ar, só lần sửa đá thô nr, chiều sâu sửa đá tinh af, số lần sửa đá tinh nf, số lần sửa không ăn dao nnon) đến trị số nhám bề mặt của chi tiết gia công sau khi mài. Kế hoạch thí nghiệm được thể hiện như trong Bảng 2.3. Mỗi thí nghiệm tiến hành 03 lần với điều kiện không đổi như sau:

- Chế độ cắt: Lượng chạy dao dọc Sd = 8 mm/HTĐ, vận tốc bàn VB = 8 m/phút, chiều sâu cắt t = 0,02 mm, tốc độ cắt không đổi 27m/s.

- Chế độ trơn nguội: Sử dụng dung dịch Caltex Aquatex 3180, nồng độ 3%, lưu lượng 10 lít/phút.

Bảng 2.3. Kế hoạch thí nghiệm và kết quả thí nghiệm sửa đá theo các thông số đầu vào ar, nr, af, nf, nnon và S TT ar nr nnon nf af S Ra Lần 1 Lần 2 Lần 3 TB S/N 1 0.015 1 0 0 0.005 1.6 0.661 0.685 0.647 0.664 3.54986 2 0.015 2 1 1 0.005 1.8 0.471 0.485 0.516 0.491 6.17790