Năng lượng trượt tỷ lệ thuận với diện tích mòn phẳng của hạt mài, tuy nhiên việc đo độ mòn phẳng khá khó khăn. Lực cắt tăng khi diện tích mòn phẳng A tăng như
Hình 2.7. Với một đá mài sắc, người ta cho rằng khi A = 0, năng lượng mài chỉ bao gồm năng lượng cày xước và năng lượng tạo phoi. Sửa tinhcũng tạo ra mòn phẳng trên hạt mài, do đó giả thiết A = 0 cần phải xem xét lại. Tuy nhiên, rõ ràng là mòn
phẳng làm tăng năng lượng trượt (cọ xát).
Năng lượng trượt trên một đơn vị thể tích vật liệu bóc gọt được tính như sau: t,sl sl F .v u b.S.t (2. 22)
Năng lượng cắt riêng, tức phần năng lượng mài riêng còn lại sau khi trừ đi năng lượng trượt (sliding), có thể tính theo công thức sau:
t,c c F .v u b.S.t (2. 23)
Qua Hình 2.9 có thể thấy năng lượng riêng khi mài với các kích thước hạt khác nhau là như nhau. Ở tốc độ bóc phoi nhỏ, năng lượng cắt riêng rất lớn, và năng lượng này giảm dần khi tốc độ bóc phoi tăng và đạt tới giá trị nhỏ nhất xấp xỉ 13,8 J/mm3. Năng lượng cắt riêng tại một tốc độ bóc phoi S.t = 1mm2/s gần như không đổi (uc
40 J/mm3) khi mài các loại vật liệu khác nhau. Đây là kết quả đáng ngạc nhiên vì các loại phôi này có độ cứng rất khác nhau. Khi tốc độ bóc kim loại nhỏ, năng lượng cắt riêng có giá trị cực lớn. Độ lớn của nó không tương thích với mô hình tạo phoi truyền thống. Điều này gợi ý rằng chỉ có một phần năng lượng cắt riêng là thực sự tham gia vào quá trình tạo phoi. Trong trường hợp đó phải có ít nhất một cơ chế khác tiêu hao phần năng lượng còn lại [11].
Hình 2.9 Quan hệ giữa năng lượng cắt riêng và vận tốc bóc phoithể tích trên chiều rộng
đơn vị (S.t) khi mài phẳng [12]
Một cơ chế có liên quan đến quá trình mài bằng vật liệu hạt là cơ chế cày xước. Năng lượng cày xước được dùng để làm biến dạng nhưng không bóc tách vật liệu
39
phôi. Chúng ta thường liên tưởng rằng cày xước nghĩa là vật liệu phôi bị đẩy từ đường cắt sang hai bên tạo thành gờ nổi, nhưng nó còn bao gồm cả sự biến dạng dẻo của phần kim loại chạy dưới lưỡi cắt.
Biến dạng do cày xước xảy ra khi hạt mài bắt đầu cắt vào phôi như minh hoạ trong
Hình 2.10a và b. Khi điểm cắt trên hạt mài di chuyển qua vùng mài, chiều sâu cắt của nó tăng từ 0 đến giá trị cao nhất agmax tại cuối đường cắt. Ban đầu, hạt mài tiếp xúc đàn hồi, nhưng năng lượng do nó tiêu hao không đáng kể so với tổng năng lượng mài, vì thế quá trình này không được biểu diễn trong hình, tiếp đó là quá trình biến dạng dẻo (cày xước) của chi tiết. Thông thường, quá trình tạo phoi chỉ bắt đầu sau khi điểm cắt đã xâm nhập vào chi tiết đến một chiều sâu cắt tới hạn ag' nhất định. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ lớn của chiều sâu cắt tới hạn ag' bao gồm độ sắc của lưỡi cắt, cách định hướng lưỡi cắt, góc trước của lưỡi cắt và hệ số ma sát [14].
Hình 2.10 (a) Cơ chế cày xước và tạo phoi khi hạt mài cắt qua vùng mài; (b) Bề mặt của
chi tiết mài [13]
Quá trình cày xước được kiểm soát bởi chiều sâu cắt tới hạn có thể là nguyên nhân dẫn đến "hiệu ứng kích thước" quan sát được. Từ Hình 2.10 và đặc điểm hình học của phoi chưa biến dạng, có thể dễ dàng thấy rằng khi tăng S hoặc t, chiều dày phoi chưa biến dạng sẽ tăng. Do đó lượng vật liệu phôi bị cày xước sang hai bên trước khi đạt tới chiều sâu cắt ag' trong so sánh tương quan với lượng kim loại được bóc tách trong quá trình tạo phoi sẽ giảm. Sự giảm đáng kể quá trình cày xước ở các vận tốc bóc phoi cao sẽ làm giảm năng lượng cày xước riêng (Hình 2.9).
Khi đạt đến giới hạn, năng lượng cày xước riêng upl có giá trị bằng 0, và năng lượng cắt riêng tối thiểu tương ứng với năng lượng tạo phoi riêng uch - năng lượng này được coi là có giá trị không đổi. Từ kết quả trình bày trong Hình 2.9 có thể suy ra năng lượng tạo phoi riêng uch = 13,8 J/mm3và mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa năng lượng cày xước riêng và vận tốc bóc tách phoi với lực cày xước tiếp tuyến trên chiều rộng đơn vị là không đổi F't,pl ≈ 1 N/mm.
Theo cách lý luận tương tự, việc sử dụng phương pháp mài thuận thay vì mài nghịch sẽ làm giảm và thậm chí loại bỏ hoàn toàn quá trình cày xước ban đầu, vì mỗi điểm cắt lúc này sẽ bắt đầu cắt vào phôi ở chiều sâu cắt lớn nhất của nó. Điều này có thể lý giải tại sao các lực cắt trong mài thuận thường nhỏ hơn một chút so với các lực trong mài nghịch. Tuy nhiên, mức chênh lệch giữa các lực đo được trong hai trường hợp này có vẻ hơi nhỏ hơn so với thành phần lực cày xước, điều này chứng tỏ vẫn
còn có quá trình cày xước trong phương pháp mài thuận [12].
(a) Vật liệu bị cày xước
trên bề mặt mài
40 Tóm lại, có thể coi tổng năng lượng mài riêng bao gồm các thành phần là năng lượng tạo phoi, năng lượng cày xước và năng lượng trượt (sliding):
u = uch + upl + usl (2. 24) Chỉ có năng lượng tạo phoi riêng là thực sựđược sử dụng vào việc bóc tách phoi, và vì thế, nó là năng lượng mài tối thiểu cần có. Đối với các kết quả trong Hình 2.9,
năng lượng tạo phoi riêng uch = 13,8 J/mm3vẫn lớn hơn rất nhiều so với năng lượng cắt riêng trong các nguyên công cắt kim loại khác. Một điểm khác nữa lànăng lượng mài riêng tối thiểu không thay đổi nhiều khi gia công phôi hợp kim hay phôi đã qua xử lý nhiệt. Ví dụ, phôi thép các-bon thấp gia công nóng đòi hỏi năng lượng mài tối thiểu gần như bằng năng lượng mài tối thiểu đối với thép hợp kim tôi cứng hay thậm chí thép gió tôi cứng.
Để giải thích đặc tính bất thường của kim loại khi được gia công mài, một vấn đề được quan tâm là so sánh giữa độ lớn của năng lượng mài riêng tối thiểu với năng lượng làm chảy kim loại được mài. Vì khoảng 75% năng lượng tạo phoi là năng lượng cắt (shear), còn 25% còn lại là năng lượng chống ma sát giữa phoi và dụng cụ cắt, có thể suy ra năng lượng cắtriêng là khoảng 10,4 J/mm3, giá trị này gần như bằng năng lượng làm nóng chảy một thể tích đơn vị đối với sắt. Giả thiết này cho phép xác định chính xác năng lượng cắt riêng là [12]:
uch = .C.Tch (2. 25)
Trong đó ρ là khối lượng riêng, C là nhiệt dung riêng trung bình và Tch là lượngtăng nhiệt độ của phoi đến nhiệt độ nóng chảy.
Nguyên nhân khiến hai giá trị này bằng nhau có thể là do sự biến dạng lớn và điều kiện gần như đoạn nhiệt chiếm ưu thế trong suốt quá trình mài. Các điểm cắt trên hạt mài có góc trước mang giá trị âmrất lớn, ước tính vào khoảng -60ohoặc thậm chí lớn hơn. Đối với các góc trước có giá trị âm lớn như vậy, lý thuyết tạo phoi cổ điển dự đoán biến dạng cắtsẽ rất lớn [8].