Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ MÀI BỀ MẶT TRỤ NGOÀI ĐỊNH HÌNH
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
a) Một số nghiên cứu về mài bằng đá mài CBN
Mài bằng đá CBN được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. Một nghiên cứu mài chính xác bằng đá CBN được thực hiện trong [25] khi mài tròn trong. Kết quả cho thấy độ cứng của hạt CBN có khả năng làm tăng tuổi thọ khi mài của đá mài và cải thiện độ ổn định kích thước của chi tiết gia công. Khi mài cảm ứng sẽ cải thiện độ ổn định kích thước. Nghiên cứu này cũng chỉ ra lợi ích của đá mài CBN có cấu trúc hạt nhỏ phù hợp để mài chính xác.
Nhóm tác giả trong nghiên cứu [26] đã tiến hành thí nghiệm mài phẳng sử dụng đá mài CBN. Đá mài CBN mạ điện với 5 loại hạt CBN đơn tinh thể được sử dụng để gia công SS440 qua tôi. Mối quan hệ giữa tốc độ bóc tách của vật liệu với công suất cắt khi mài và với nhám bề mặt gia công được khảo sát (Hình 1.6) nhằm đánh giá ảnh hưởng của các loại hạt đơn tinh thể đó đến khả năng cắt khi mài của đá mài CBN. Kết quả cho thấy, khi mài với đá CBN có tinh thể cứng hơn thì đá sẽ mòn ít hơn, tốc độ bóc tách vật liệu cao hơn trong khi công suất cắt nhỏ hơn.
a) b)
Hình 1.6. Đồ thị tương quan giữa tốc độ bóc tách riêng vật liệu với công suất
mài và nhám bề mặt chi tiết [26]
Nghiên cứu mài chính xác trục vít (Hình 1.8) sử dụng đá mài CBN được
trình bày trong [27]. Với mục đích gia công trục vít có độ chính xác cao, nghiên cứu đã xây dựng một mô hình toán học cho biên dạng của đá mài CBN để gia công trục vít được phát triển dựa trên lý thuyết ăn khớp bánh răng. Đá mài CBN mạ điện lần đầu tiên được sử dụng để mài trục vít. Nghiên cứu đã đề xuất một
mô hình toán học phân tích sai số và đường cong ảnh hưởng của các sai số biên dạng bị ảnh hưởng bởi lỗi lắp đặt và sai số bán kính của đá mài nhằm giảm sai số biên dạng ren của trục vít gây ra do lỗi lắp đặt và mài mòn của đá mài CBN.
Kết quả của nghiên cứu này có thể được sử dụng để mài chính xác các loại trục vít.
Hình 1.7. Mài trục vít sử dụng đá mài CBN [27]
Trong nghiên cứu [28], đá mài CBN được sử dụng để mài thép cứng AISI 4340. Các thí nghiệm sử dụng phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu với ba
tia (Hình 1.7) làm sạch đá mài bằng dung dịch trơn nguội (MQL+WCJ) và so sánh với phương pháp bôi trơn làm nguội thông thường (MQL). Các thông số đầu ra được đánh giá trong nghiên cứu này đó là: nhám bề mặt phôi, dung sai độ tròn và độ cứng vi mô, độ mòn đường kính của bánh xe và công suất mài, đồng thời chất lượng bề mặt gia công được phân tích thông qua kỹ thuật kính hiển vi (quang học, quét điện tử và tiêu điểm). Kết quả cho thấy MQL+WCJ hoạt động tốt hơn MQL trong tất cả các điều kiện được thử nghiệm. Việc sử dụng tia làm sạch bánh xe giúp giảm tới 73% độ mòn của đá mài, 69% nhám bề mặt, 45% dung sai độ tròn và 24% công suất mài và thân thiện với môi trường hơn, hiệu quả hơn.
Hình 1.8. Sơ đồ thí nghiệm [28]
a) Sơ đồ của quy trình MQL + WCJ
b) Vòi phun MQL
c) Vòi WCJ
Đá mài CBN còn được sử dụng để mài bánh răng [29] trên máy mài năm trục (Hình 1.9).
Vòi phun MQL
Phôi
Vòi phun WCJ
Hình 1.9. Mài bề mặt răng của bánh răng sử dụng đá mài CBN [29]
Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học biên dạng của đá mài CBN dựa trên nguyên lý ăn khớp của bánh răng và lý thuyết về cấu tạo răng của bánh răng. Nghiên cứu xây dựng mô hình phân tích lỗi để giảm lỗi biên dạng răng do sai số lắp đặt gây ra trong quá trình mài. Máy đo tọa độ được sử dụng để đo độ chính xác bề mặt răng để từ đó điều chỉnh các thông số mài hợp lý. Sai số biên dạng răng khi mài đã giảm đáng kể sau khi điều chỉnh các thông số đầu vào hợp lý. Kết quả của nghiên cứu đề xuất được một phương pháp mài hiệu quả khi sử dụng đá mài CBN để mài bề mặt răng.
Đá mài CBN còn được lựa chọn để mài chính xác các vật liệu khó cắt trong ngành hàng không vũ trụ [30]. Nghiên cứu này sử dụng đá mài CBN liên kết bằng kim loại nền xốp kết hợp với các hạt mài CBN tổng hợp hiệu suất cao được thiêu kết. Vật liệu phôi thí nghiệm là hợp kim Ti–6Al–4V. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng đá mài CBN liên kết kim loại nền xốp có không gian lưu trữ phoi lớn và khả năng chống mài mòn rất tốt. Khi sử dụng loại đá mài này để mài hợp kim Ti–6Al–4V cho lực mài ổn định và nhám bề mặt nhỏ.
b) Một số nghiên cứu về mài thép SKD11 bằng đá mài CBN
Thép SKD11 với những ưu điểm nổi bật nên được sử dụng khá phổ biến để chế tạo trong ngành cơ khí. Những nghiên cứu về mài thép SKD11 cũng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.
Ming, W.W và các cộng sự [31] đã nghiên cứu quá trình hình thành lớp biến trắng trên bề mặt chi tiết gia công khi mài vật liệu thép SKD11 nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm. Các thí nghiệm mài với các thông số thay đổi đã được tiến hành để nghiên cứu lớp biến trắng hình thành trên bề mặt thép SKD11.
Kết quả cho thấy lớp biến trắng rất nhạy và được hình thành trong quá trình mài do nhiệt độ cao và tốc độ mài nhanh. Lớp biến trắng, hạt mịn, đồng
Hình 1.10. Quan hệ nhiệt sinh ra khi mài với chiều sâu cắt [31]
Hình 1.11. Quan hệ nhiệt khi mài với lượng chạy dao [31]
nhất, kích thước nhỏ sẽ làm giảm tuổi thọ của chi tiết. Thông số mài có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành lớp biến trắng. Khi tăng chiều sâu mài, độ dày lớp biến trắng cũng như vùng ảnh hưởng nhiệt tăng mạnh (Hình 1.10). Khi tốc độ tiến dao tăng lên đến một mức độ nhất định, thời gian tiếp xúc giữa phôi và đá mài giảm nhanh, nhiệt độ phát sinh khi mài tăng chậm, thậm chí còn giảm do đó lớp biến trắng hầu như không thay đổi (Hình 1.11).
Một nghiên cứu về ảnh hưởng của các loại hạt mài, nồng độ, kích thước, chất dính kết và độ xốp của đá mài CBN liên kết thủy tinh đến lực mài và nhám bề mặt khi mài thép cứng được nghiên cứu trong [32]. Các tác giả đã tiến hành thí nghiệm mài dùng đá mài CBN liên kết thủy tinh có nồng độ hạt, chất dính kết và độ xốp khác nhau để mài chính xác bề mặt thép SKD11 và thép SKH9.
Kết quả nghiên cứu cho thấy trong quá trình mài thép đã tôi, khi tăng chất dính kết thì có thể tăng chiều sâu cắt do đá mài có độ bền liên kết tốt hơn do đó đạt năng suất và nhám bề mặt tốt hơn. Chiều sâu cắt tăng làm lực mài tăng. Ngoài
ra, đá mài CBN liên kết thủy tinh có độ xốp quá lớn sẽ khiến độ bền liên kết thấp, khiến đá bị mòn nhanh hơn. Do đó, để đạt năng suất cao hơn và nhám bề
mặt tốt hơn, trong quá trình mài thép cứng, nên chọn đá mài chất dính kết tốt và độ xốp thấp hơn, nồng độ hạt cao hơn nhưng nhược điểm là lực mài tương đối cao nên cần lưu tâm đến việc bôi trơn làm mát khi mài.
d) Một số nghiên cứu về mài bằng máy mài và mài bằng các loại máy khác
Đá mài CBN được sử dụng để mài cao tốc trong [33], các tác giả đã dùng 4 loại dung dịch trơn nguội đó là: nước, dầu nguyên chất, dầu thực vật bán tổng hợp 20%, dầu thực vật bán tổng hợp 3% để bôi trơn làm mát khi mài thép các
bon 52100. Sau khi mài, tác giả đánh giá độ mòn của đá mài và nhám bề mặt.
Để tăng hiệu quả gia công, một yếu tố quan trọng khi mài cần lưu tâm đó là làm mát cho quá trình. Việc làm mát còn ảnh hưởng đến nhám bề mặt của phôi
và độ mòn hướng kính của đá. Kết quả cho thấy, dùng dầu nguyên chất để mài thì đá mài hầu như không mòn. Ngoài ra, nồng độ dung dịch dầu bán tổng hợp tăng thì mức độ mòn của đá mài cũng giảm (Hình 1.12).
Hình 1.12. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến mòn hướng kính khi mài
bằng đá CBN [33]
Hình 1.13. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhám bề mặt khi mài [33]
Trong quá trình mài, mức độ mòn của đá mài lớn nhất khi sử dụng nước để làm mát. Khi dùng dầu nguyên chất để làm mát khi mài thì nhám bề mặt nhỏ hơn so với sử dụng các dung dịch bán tổng hợp và nước để bôi trơn làm mát, nguyên nhân là do nước bôi trơn kém do đó làm ô-xy hóa và tăng ma sát mài mòn, đồng thời tăng sốc nhiệt các hạt mài và chất dính kết. Ngoài ra khi nồng
độ dung dịch dầu bán tổng hợp tăng sẽ cho kết quả nhám bề mặt giảm khi mài (Hình 1.13).
Hình 1.14. So sánh ảnh hưởng của các loại dung dịch bôi trơn khi mài [34]
a) Nhám bề mặt; b) Nhiệt cắt; c) Lực tiếp tuyến
Đá mài CBN được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng đến nhám bề mặt, nhiệt cắt và lực cắt khi mài phẳng thép chịu nhiệt VC131 [34]. Thí nghiệm sử
dụng ba loại dung dịch trơn nguội khác nhau là: dầu cắt gọt thông thường, nhũ tương thực vật HC2010 và dung dịch tổng hợp HC4110. Kết quả cho thấy, việc
sử dụng dầu cắt gọt thông thường cho lực cắt tiếp tuyến và nhiệt cắt thấp nhất nhưng nhám bề mặt cao nhất (Hình 1.14).
Nhóm tác giả R.D. Monici [35] đã nghiên cứu hiệu quả mài của hai loại đá mài là Al2O3 và CBN với hai loại đầu phun và hai loại dung dịch trơn nguội khác nhau. Trong nghiên cứu này sử dụng hai loại đầu phun, một loại là đầu
phun thông thường và một loại là đầu phun Webster với đường kính lỗ phun
lần lượt là 3 mm, 4 mm, 5 mm, trong đó áp suất tưới của đầu phun thường thấp hơn của đầu phun Webster. Nghiên cứu sử dụng hai loại dung dịch trơn nguội đó là dầu nguyên chất và nhũ tương tổng hợp 5%. Kết quả của nghiên cứu cho thấy nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN thấp hơn so với khi mài bằng đá mài Al2O3. Ngoài ra, khi sử dụng dầu nguyên chất thì khả năng bôi trơn tốt hơn
và cho nhám bề mặt nhỏ hơn hơn so với sử dụng nhũ tương tổng hợp. Trong khi đó, mài bằng đá mài CBN sử dụng hai loại dung dịch trơn bôi trơn làm mát như trên thì nhận được nhám bề mặt gần như nhau. Kết quả cho thấy, với từng loại đá mài để giảm nhám bề mặt gia công cần chọn loại dung dịch trơn nguội hợp lý.
Yamaguchi, K. và các cộng sự đã nghiên cứu thí nghiệm mài trên máy phay mặt phẳng NC (040-743) chính xác sử dụng đá mài DLC với phôi lần lượt
là tấm silicon, kính quang học, thạch anh, đá granit và thép SKD11 [36]. Đá mài phủ DLC là đá mài có lớp phủ carbon giống kim cương có đặc tính tốt về cơ, hóa, lý, điện và tính chất quang học như độ cứng cao, hệ số ma sát rất thấp, khả năng chống mài mòn cao, độ dẫn nhiệt cao. Sơ đồ mài như Hình 1.15 được áp dụng mài lần lượt các phôi bằng vật liệu kể trên. Kết quả của nghiên cứu
Hình 1.15. Thí nghiệm mài trên máy phay NC (040-743) [35]
phát triển được phương pháp chế tạo đá mài phủ DLC, đề xuất được vật liệu phôi mài phù hợp với loại đá này là tấm silicon.