1.2.1.1 Khái niệm
Đá mài là một loại dụng cụ cắt được chế tạo từ hạt mài, chất dính kết và các chất phụ gia. Các hạt mài được liên kết với nhau bằng một loại vật liệu đặc biệt gọi là chất dính kết. Giữa chất dính kết và hạt mài là các khe hở. Quá trình cắt khi mài phẳng được thực hiện bởi vô số hạt mài gắn cưỡng bức trên bề mặt làm việc của đá mài [17].
Hình 1.10 Sơ đồ quá trình mài phẳng [1]
Để quá trình cắt thực hiện được, dụng cụ (đá mài) và chi tiết phải có các chuyển động cần thiết (Hình 1.10). Khi đá mài quay theo chiều mũi tên 1, cịn chi tiết có chuyển động theo chiều mũi tên 2, các hạt mài nằm trên bề mặt làm việc của đá mài sẽ bóc đi một lớp kim loại mỏng, tạo ra bề mặt gia công yêu cầu.
1.2.1.2 Các phương pháp mài phẳng
Mài phẳng bằng đá mài trụ: Được thực hiện khi bàn máy có chuyển động tịnh tiến
qua lại hoặc quay tròn. Trên các máy mài phẳng có bàn máy chuyển động tịnh tiến qua lại, sau mỗi hành trình dọc, đá mài lại có dịch chuyển chạy dao theo phương vng góc với phương chuyển động dọc của bàn máy [18].
Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu (đá chậu): Có năng suất cao hơn nhiều so với mài bằng đá trụ vì số hạt mài tham gia đồng thời vào quá trình cắt cao hơn nhiều. Khi mài bằng đá mài mặt đầu, bàn máy có chuyển động tịnh tiến qua lại hoặc quay trịn.
Đá mài Bàn máy Phơi Mặt làm việc của đá Trục đá
mài Vòi phun
1
15
Sau mỗi hành trình dọc của bàn (hoặc vịng quay của nó nếu là bàn trịn) đá mài lại có chuyển động tiến dao theo phương vng góc với phương chuyển động của bàn máy. Tuy nhiên, thường thì mặt đầu đá phủ hết tồn bộ chiều rộng của chi tiết mài gá
trên bàn máy.
Hình 1.11 Bốn dạng mài phẳng: (a) Trục ngang và bàn máy tịnh tiến, (b) Trục ngang và bàn máy quay, (c) Trục đứng và bàn máy tịnh tiến, (d) Trục đứng và bàn máy quay [1]
1.2.1.3 Các thơng số đặc trưng cho q trình mài phẳng
- Tốc độ cắt của đá v (m/s): Tốc độ cắt của đá khi mài phẳng được xác định theo công
thức [1]:
s
πd n v =
1000 60 (m/s) (1. 1)
trong đó ds là đường kính ngồi của đá mài (mm); n là số vòng quay của đá mài
(vòng/phút).
- Chiều sâu cắt t (mm): Là khoảng cách giữa bề mặt đang gia công và bề mặt đã gia
cơng đo theo phương vng góc với bề mặt gia cơng [19].
- Tốc độ tịnh tiến của phôi S (mm/ph): Là lượng dịch chuyển của phơi tính bằng
(mm/ph), nhiều khi còn được gọi là lượng tiến dao dọc Sd [17].
- Lượng chạy dao ngang Sn (mm/htk): Là lượng dịch chuyển ngang của đá mài, tính
bằng (mm/hành trình kép) khi mài phẳng [18].
- Hệ số mài G: Là thể tích kim loại được bóc đi trên mỗi đơn vị thể tích mịn của đá
mài [19]. Hệ số này thường được tính như sau:
ct d V G V (1. 2)
trong đó Vct là thể tích vật liệu được bóc đi trong một đơn vị thời gian quy ước (mm3), Vd là thể tích vật liệu đá mài bị tiêu hao cũng trong thời gian nói trên (mm3). Hệ số
mài G thường được xác định cho chế độ mòn ổn định của đá mài và được gọi là độ mòn tương đối.
16
1.2.2. Mài hợp kim Titan
1.2.2.1 Tính mài của hợp kim Titan
Các tiêu chuẩn để đánh giá tính mài của một vật liệu là hệ số mài, hệ số bóc gọt vật liệu, chất lượng bề mặt và tạo phoi. Titan có tính mài kém do khả năng dẫn nhiệt thấp, giới hạn chảy và độ bền kéo tốt ở nhiệt độ cao, mơ đun đàn hồi tương đối thấp, có xu hướng phản ứng hóa học mạnh khi nhiệt độ cắt cao (> 500°C) với hầu hết vật liệu dụng cụ cắt, độ bền mỏi giảm mạnh khi chất lượng bề mặt giảm. Các nguyên nhân trên khiến chất lượng bề mặt khi gia công titan thấp và dụng cụ cắt mịn nhanh
(có hệ số mài thấp). Ngồi ra, góc trước âm lớn và hoạt động cọ xát, cào xước của
hạt mài khiến nhiệt độ và lực ma sát tăng làm chất lượng bề mặt giảm [4].
Hình 1.12 so sánh tính mài của một số vật liệu. Những giá trị này phụ thuộc vào
tiến bộ trong cơng nghệ sản xuất hạt mài, chất kết dính và loại ứng dụng sử dụng. Hợp kim titan thường phản ứng hóa học với hạt mài cBN và ơ-xit nhơm. Trong khi đó, đã có các kết quả khả quan khi mài hợp kim titan bằng đá mài kim cương, tuy nhiên trong thực tế hầu hết vẫn dùng đá mài cacbit silic. Theo tiêu chuẩn dạng phoi
và chất lượng bề mặt, tính gia cơng của titan cao hơn hợp kim niken và coban nên có thể coi nó là một lựa chọnthay thế trong một sốtrường hợp [8].
Hình 1.12 So sánh tính mài của một số vật liệu [8]
1.2.2.2 Đặc điểm khi mài hợp kim Titan a) Lực mài và năng lượng mài riêng a) Lực mài và năng lượng mài riêng
Lực mài chủ yếu phục vụ cho quá trình cọ xát, cào xước và cắt gọt của hạt mài trên bề mặt phôi. Lực mài được đo bằng cảm biến lực. Việc sử dụng hạt mài cùn hoặc không đúng cách sẽ làm tăng lực mài. Lực mài tăng khi chiều sâu cắt và bước tiến dao tăng, giảm khi tốc độ cắt tăng. Lực mài khi mài thuận và mài nghịch về cơ bản là bằng nhau. Lực mài titan lớn do vật liệu này có độ bền cao, ứng suất hóa cứng cao và tải trên đá mài lớn. Các nghiên cứu cho rằng lực mài là thông số quan trọng để đánh giá chất lượng q trình mài do nó liên quan trực tiếp đến mòn đá, nhiệt độ cắt và chất lượng bề mặt. Công suất mài P, được sử dụng để lựa chọn cơng suất máy, có thể đo trực tiếp bằng máy đo công suất lắp vào mạch điện động cơ trục chính, hoặc
17 tính tốn thơng qua lực cắt tiếp tuyến như Hình 1.13. Một thơng số quan trọng tính được từ cơng suất cắt và chế độ cắt là năng lượng mài riêng u, là năng lượng cần thiết để bóc gọt một đơn vị thể tích vật liệu phơi. Nó hầu như khơng phụ thuộc vào vận tốc cắt và bề rộng cắt, mà chỉ chịu ảnh hưởng của chiều dày phoi không biến dạng và độ bền vật liệu gia công. Năng lượng mài riêng đặc trưng cho hiệu suất của q trình mài và có thể dùng để đánh giá lực mài và công suất mài [14].
Hình 1.13 Mơ hình lực cắt khi mài phẳng [14]
Có một số nguyên nhân khiến năng lượng mài riêng lớn hơn khi gia công bằng các phương pháp khác.Các ngun nhân đó như sau:
Hình 1.14 Ba hoạt động của q trình mài [12]
Hiệu ứng kích thước: Sự tạo phoi diễn ra do quá trình cắtgọt rất mạnh của hạt mài trên một vùng phôi rất mỏng, tiếp theo là ma sát khi phoi trượt qua mặt trước của hạt mài. Thơng thường, cắt gọtchiếm khoảng 75% tồn bộ năng lượng tạo phoi, ma sát giữa hạt mài và phoi chiếm 25% năng lượng còn lại. Ở các điều kiện mài tinh, tức là các điều kiện mài tạo ra độ dày phoi không biến dạng nhỏ hơn, ứng suất cắt thường có giá trị cao, tương ứng với sử dụng nhiều năng lượng riêng hơn cho kiểu mài này. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng kích thước [13].
18
Hoạt động của hạt mài khi mài: Tổng năng lượng mài riêng bao gồm các thành
phần là năng lượng tạo phoi, năng lượng cày xước và năng lượng trượt như Hình 1.14. Chỉ có năng lượng tạo phoi là thực sựđược sử dụng vào việc bóc tách phoi, cịn
hai năng lượng trượt và cày xước khiến năng năng lượng mài riêng tăng cao.
Hạt mài có góc trước âm lớn: Góc trước trung bình của hạt mài từ -30 đến -70 độ nên làm tăng góc cắt, ứng suất cắt và ma sát với phoi khiến năng lượng mài riêng cao
hơn.
b) Cấu trúc tế vi bề mặt chi tiết mài
Một số nghiên cứu đã mô tả sự đổi hướng của các hạt tinh thể titan theo hướng tiến
dao. Người ta cũng nhìn thấy một vùng mỏng đặc biệt (có chiều dày từ 0,5 đến 5 µm) ở ngay dưới bề mặt gia công nơi các hạt tinh thể có hướng gần như song song với hướng cắt. Một số tác giả cho rằng mài thô không ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tế vi bề mặt, trong khi mài tinh đã định hình trạng thái cơ nhiệt lớp bề mặt [3].
Mài có sử dụng chất lỏng làm mát tạo ra pha β ở lớp bề mặt nhiều hơn 5 – 8% so
với mài khơng có chất làm mát. Mài bằng các loại hạt mài khác nhau sẽ tạo ra lượng pha β khơng giống nhau ở lớp bề mặt. Ngồi ra, mài bằng đá mài Al2O3 tạo ra ít pha β hơn đá mài cBN hay nói cách khác, đá mài cBN có khả năng ổn định pha β. Q trình mài đã làm biến đổi cấu trúc tế vi của hợp kim α - β (ví dụ Ti-6Al-4V) thơng qua việc giảm lượng pha β ở lớp gần bề mặt. Khi tốc độ cắt và chiều sâu cắt tăng lên (làm ứng suất nhiệt tăng lên) thì hàm lượng pha β giảm xuống. Một số tác giả đã sử dụng đá mài kim cương MBG với chiều sâu mài lớn, lượng tiến dao nhỏ (Creep Feed
Grinding) để mài hợp kim Ti-6Al-4V. Ảnh hiển vi của các mẫu thí nghiệm cho thấy
không xuất hiện lớp bề mặt giàu ô-xi (lớp vỏ α) chứng tỏ nhiệt độ mài thấp hơn nhiệt độ chuyển pha β [5].
c) Thay đổi độ cứng lớp bề mặt
Hiện tượng thay đổi độ cứng lớp bề mặt xuất hiện do tác động của nhiệt cắt, biến dạng cơ học hoặc thay đổi hóa học trong q trình gia cơng. Mềm nhiệt là một dạng hư hỏng do nhiệt mặc dù bề mặt phôi không nhất thiết phải có vết cháy hoặc bị đổi
màu. Độ cứng tế vi đo được trên mặt cắt cho thấy mềm nhiệt làm giảm độ cứng, do đó giảm tính chống mài mịn của bề mặt. Ở một nhiệt độ xác định, mềm nhiệt tăng
lên khi tốc độ tiến dao chậm, do quá trình truyền nhiệt từ vùng cắt diễn ra lâu hơn. Sự hóa mềm lớp bề mặt được cho là do hiện tượng cục bộ hóa nhiệt và được thể hiện bằng một lớp tối trên bề mặt [13]. Khi mài hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài SiC người ta thấy lớp mềm nhiệt có chiều sâu 80 µm và tăng khi chiều sâu cắt tăng [20]. Mài
Ti-6Al-4V bằng đá mài Al2O3 tạo ra một lớp bề mặt mềm nơng, sâu 40 m [21].
Hóa cứng xảy ra ở nhiệt độ cao hơn và gây tác động nghiêm trọng hơn mềm nhiệt.
Có thể quan sát thấy một lớp trắng cứng và giòn trên bề mặt bị hóa cứng. Lớp này có khả năng chống mài mịn trừ khi các hạt cứng bị bóc ra khỏi bề mặt do mỏi hoặc dưới
tác dụng của hạt mài [12]. Các nghiên cứu cho thấymài hợp kim titan dưới chế độ cắt cao sẽ tạo ra một lớp trắng quá nhiệt trên bề mặt. Khi mài Ti-6Al-4V bằng đá mài
cBN mạ đồng và liên kết thủy tinh với chiều sâu cắt lớn và bước tiến dao nhỏ (Creep Feed Grinding), lớp hóa cứng có chiều sâu khoảng 40 m và độ cứng mẫu mài bằng
19 hợp chất nền Ti-6Al-4V tăng cường hạt TiC (PTMCs) bằng đá mài cBN mạ đồng
một lớp, lớp hóa cứng có chiều sâu 80 µm và tăng khi lượng tiến dao và chiều sâu cắt tăng [23]. Độ cứng tế vi lớp bề mặt hợp chất PTMCs (chiều dày 130 µm) khi mài
Creep Feed bằng đá mài ô-xit nhôm tăng lên đáng kể khi chiều sâu cắt tăng [24].
d) Nhiệt độ mài
Khơng như các q trình gia cơng thơng thường như tiện hay phay, trong đó hầu hết nhiệt năng truyền vào phoi, nhiệt năng khi mài truyền vào phoi ít khiến nhiệt độ bề mặt phơi tăng. Nhiều tác giả đã chứng minh rằng, nhiệt độ vùng mài cao nếu khơng được kiểm sốt sẽ gây ra nhiều khuyết tật nhiệt cho bề mặt gia công như vết cháy, vết nứt, bám dính, biến đổi tính chất lý hóa lớp bề mặt, gây ra ứng suất dư kéo và giảm độ bền mỏi của vật liệu. Một số báo cáo còn cho rằng nhiệt cắt khiến tải trên đá và mòn đá tăng. Hạt mài bị mòn và chịu tải lớn sẽ làm tăng lực mài và gây ra nhiều vấn đề về nhiệt hơn [13].
Nhiệt độ bề mặt phôi lớn nhất phụ thuộc vào cơng suất mài (Ft.v), vận tốc cắt và đặc tính vật liệu phơi: t max max w w c F .v 1 C R S.l (1. 3)
Trong đó các tham số nhiệt họcảnh hưởng tới nhiệt độ là hệ số Cmax, đặc tính nhiệt chuyển tiếp βw và tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi Rw. Giá trị của hệ số Cmax xấp xỉ bằng 1 đối với mài thông thường và giảm xuống khi mài sâu.
Đặc tính nhiệt chuyển tiếp βw của vật liệu phơi được tính theo cơng thức: 0,5
w (k c)
trong đó trong đó k là hệ số dẫn nhiệt (W/m.K), ρ là khối lượng riêng
(kg/m3), c là nhiệt dung riêng (J/kg.K)
Tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi Rw là phần nhiệt năng truyền vào phơi trên tổng nhiệt năng sinh ra. Nó phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt và độ sắc của hạt mài cũng như đặc tính nhiệt học của phơi. Nếu bỏ qua lượng nhiệt truyền vào dung dịch làm mát và
phoi thì Rw xấp xỉ bằng Rws (tỉ lệ nhiệt truyền vào hạt mài và phơi), tính theo cơng
thức [8]: 1 g ws w 0 k R 1 r .v (1. 4)
Trong đó kg là hệ số dẫn nhiệt của hạt mài (W/m.K), r0 là bán kính đỉnh hạt mài. Có thể thấy Rws ít phụ thuộc vào r0. Khi mài thông thường, Rws nằm trong khoảng từ 0,7 đến 0,9 đối với đá mài thủy tinh hóa và 0,4 đến 0,6 đối với đá mài cBN.
Nhiệt độ tính được từ phương trình trên chỉ là tương đối mà khơng phải là chính xác tuyệt đối. Phương trình trên có thể được sử dụng để tính tỉ số Rw nếu đo được nhiệt độ và lực cắt bằng thực nghiệm.Năng lượngmài khi mài bằng đá mài cBN cao
hơn đá mài Al2O3 trong khi nhiệt độ mài bằng nhau. Nguyên nhân do đá mài cBN có tỉ số năng lượng Rw nhỏ hơn đá mài Al2O3 (vì nó có tính dẫn nhiệt tốt hơn) [5].
Xác định nhiệt độ mài bằng phương pháp mơ phỏng thường khơng có độ chính
20 thời nhiệt độ trong q trình mài thay đổi nên khi mơ phỏng phải đưa ra nhiều giả thiết. Điều đó làm giảm tính chính xác của mơ hình [14].
Trong các nghiên cứu thực nghiệm, người ta sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để đo nhiệt độ mài. Ví dụ như cặp nhiệt điện nhúng, bức xạ nhiệt, tia hồng ngoại, quang điện, … Cặp nhiệt điện nhúng được sử dụng rộng rãi do có độ chính xác cao và khoảng đo rộng. Chúng có thể đặt trong vùng mài hoặc dưới bề mặt phôi. Một số tác giả đã sử dụng cặp nhiệt điện nhúng để đo nhiệt độ bề mặt phôi khi mài hợp kim
Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết thủy tinh [25]. Sau khi đo lực và nhiệt độ cắt, tỉ
lệ nhiệt truyền vào phơi có thể tính ngược lại bằng phương pháp sai phân hữu hạn khi so sánh mơ hình nhiệt mài vớithực nghiệm. Kết quả cho thấy ảnh hưởng của tốc độ tiến dao đến nhiệt độ và tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi lớn hơn tốc độ cắt và chiều sâu cắt. Tăng lượng tiến dao làm giảm nhiệt độ hiệu quả, nhưng tỉ lệ nhiệt truyền vào
phôi cũng tăng đáng kể. Giá trị của tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi khi mài khô hợp kim titan Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết thủy tinh là khoảng 5%.
e) Ứng suất dư
Ứng suất dư sinh ra do biến dạng dẻo khơng đều phía dưới bề mặt phơi. Tương tác giữahạt mài với phôi khiến phôibị chảy dẻo nén và sinh ra ứng suất dư nén. Tại vùng mài, giãn nở của vật liệu nóng trên bề mặt bị hạn chế bởi vật liệu nguội hơn phía dưới bề mặt. Điều này tạo ra ứng suất dư nén dưới bề mặt. Sau khi nhiệt mài đi qua, vật liệu trên bề mặt muốn co lại, do đó, để đảm bảo tính liên tục của vật liệu thì ứng suất