CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN MÒN ĐÁ VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI MÀI ĐỊNH HÌNH RÃNH TRÒN XOAY
2.2. Chất lượng bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay
2.2.2. Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay
Trong quá trình mài định hình rãnh tròn xoay, các hạt mài sẽ cào sát vào bề mặt gia công để tách ra một lớp phoi mỏng. Do số lượng các hạt mài rất lớn, phân bố của chúng không theo quy luật nhất định, chiều cao nhô ra khỏi chất dính kết không giống nhau, nên vết gia công trên bề mặt chi tiết mài là tập hợp của nhiều vết gia công do các hạt mài đơn lẻ tạo ra. Kết quả, chiều cao nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết mài được hình thành trước hết là do in dập quỹ đạo chuyển động của các hạt mài. Vết của các hạt mài sẽ tạo ra các biên dạng hình học tế vi trên bề mặt gia công. Vì vậy, độ nhám bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố công nghệ chính sau đây:
2.2.2.1. Ảnh hưởng của lượng chạy dao hướng kính
Lượng chạy dao hướng kính (hay lượng chạy dao ngang Shk) ảnh hưởng đến độ nhấp nhô tế vi bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay. Khi lượng chạy dao hướng kính tăng thì năng suất mài sẽ tăng, nhưng lực cắt cũng tăng, mòn đá và nhiệt cắt cũng tăng theo, dẫn đến độ nhám bề mặt của chi tiết sẽ tăng [13]. Giá trị cụ thể của lượng chạy dao hướng kính phụ thuộc vào từng phương pháp mài và các điều kiện mài cụ thể.
Trên hình 2.3 là đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của độ nhám bề mặt chi tiết vào lượng chạy dao hướng kính khi mài định hình rãnh tròn xoay. Từ đồ thị thấy rằng tăng lượng tiến dao hướng kính thì trị số nhấp nhô tế vi bề mặt tăng (độ nhẵn bóng bề mặt sẽ giảm).
Hình 2.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ngang đến độ nhám bề mặt của chi tiết khi mài định hình
Rz Ra
2.2.2.2. Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết
Khi tăng tốc độ quay của chi tiết thì số lượng vết cắt qua một tiết diện vật mài giảm xuống, biến dạng của chi tiết tăng làm cho các hạt mài không cắt hết các phần vật liệu dư [18, 23]. Ngoài ra, khi vận tốc của chi tiết tăng thì chiều dày lớp kim loại do một hạt mài cắt đi sẽ tăng, dẫn đến mòn đá tăng. Do đó, khả năng ăn sâu vào kim loại của các hạt mài trở lên khó khăn hơn, ma sát giữa bề mặt làm việc của đá với chi tiết gia công tăng làm cho lực cắt và nhiệt cắt tăng. Đồng thời, khi vận tốc của chi tiết tăng thì rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình mài cũng tăng. Vì vậy, độ nhám bề mặt của chi tiết mài cũng sẽ tăng.
Tuy nhiên, khi tăng tốc độ chi tiết sẽ rút ngắn thời gian tác động của nguồn nhiệt sinh ra trong quá trình mài. Đồng thời với việc tăng tốc độ của chi tiết, tức làm giảm chiều sâu cắt ứng với một vòng quay của chi tiết, thì một phần của nguồn nhiệt khi mài sẽ thoát ra trước khi nguồn nhiệt này có thể truyền vào chi tiết. Một phần của nguồn nhiệt này được truyền vào phoi làm nhiệt độ của phoi tăng lên. Do đó, khả năng thoát nhiệt trong vùng gia công sẽ tốt hơn, nhiệt độ ở khu vực mài sẽ giảm xuống, dẫn đến giảm hiện tượng cháy bề mặt. Vì vậy, khi mài định hình rãnh tròn xoay cần chọn tốc độ quay của chi tiết hợp lý để đạt được độ nhám bề mặt thấp nhưng không xảy ra hiện tượng cháy bề mặt.
2.2.2.3. Ảnh hưởng của lượng dư mài
Bề mặt mài được tạo bởi các rãnh liên tiếp của các điểm cắt có chiều cao không bằng nhau. Về lý thuyết, nếu lượng dư mài t > Rz thì t không ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.
Nhưng thực nghiệm lại cho thấy t có ảnh hưởng (tuy không nhiều) đến độ nhám bề mặt chi tiết. Khi tăng lượng dư mài (t) thì độ nhám bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay sẽ tăng. Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của lượng dư mài đến độ nhám bề mặt chi tiết thì nhỏ hơn so với ảnh hưởng của lượng chạy dao hướng kính (Shk). Vì vậy để tăng năng suất mà không giảm độ nhám bề mặt chi tiết mài thường sẽ thực hiện tăng lượng dư mài và giảm lượng tiến dao.
Khi mài thô, nên chọn lượng dư mài lớn nhất cho phép theo cỡ hạt và công suất máy.
Tuy nhiên lượng dư mài không nên lớn hơn 5% kích thước tiết diện của hạt mài. Ví dụ, với đá mài có độ hạt 800 m, lượng dư mài chọn t ≤ 0,04 mm. Nếu lượng dư mài chọn lớn hơn giá trị trên, khe hở giữa các hạt mài sẽ nhanh chóng bị phoi kim loại lấp đầy, dẫn đến suy giảm khả năng cắt gọt của đá mài [19, 21].
Khi chi tiết có độ cứng vững kém cần giảm lượng dư mài. Khi mài tinh nên chọn lượng dư mài bé để nâng cao độ chính xác và độ nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết mài. Vật liệu có động cứng càng cao thì chọn lượng dư mài càng bé [19].
2.2.2.4. Ảnh hưởng của thời gian mài
Các thông số đầu ra của quá trình mài nói chung và độ nhám bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay nói riêng đều phụ thuộc vào thời gian mài [22]. Do đó, thời gian mài là yếu tố quan trọng dùng để xác định tuổi bền kinh tế của đá mài. Để đánh giá yếu tố trên thường sử dụng một số chỉ tiêu như thời gian mài thực tế (), thể tích vật liệu bị mài (V), số chi tiết
mài trong một chu trình (Nct) … [20]. Ở đây lựa chọn chỉ tiêu là số chi tiết mài trong một chu trình (Nct). Vì trong thực tiễn sản xuất trên các máy mài định hình rãnh tròn xoay chuyên dụng như máy 3MK136B thường sử dụng chỉ tiêu số chi tiết mài trong một chu trình (Nct) để đặc trưng cho yếu tố thời gian mài làm cơ sở để xác định chu kỳ sửa đá.
Khi tăng thời gian mài hay tăng số lượng chi tiết mài trong một chu trình thì mòn đá sẽ tăng, dẫn đến lực cắt, nhiệt cắt và rung động trong quá trình mài sẽ tăng, làm cho độ nhám bề mặt chi tiết sẽ tăng theo. Mối quan hệ giữa nhấp nhô tế vi bề mặt với thời gian mài được thể hiện trên hình 2.4. Nhận thấy đồ thị Ra= f() thể hiện mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết với thời gian mài được chia làm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Ứng với giai đoạn mòn ban đầu của đá mài 0. Ở giai đoạn này quá trình cắt của đá mài không ổn định do khi sửa đá nhiều hạt mài có vị trí không thuận lợi hoặc một số hạt được giữ “không chặt” trong chất kết dính nên các hạt này liên tục bị bật ra khỏi chất dính kết. Mặt khác, các lưỡi cắt của hạt mài được tạo thành sau khi sửa đá rất sắc và nhọn đã in dập trên bề mặt chi tiết gia công. Sau giai đoạn mòn nhanh ban đầu các lưỡi cắt mới đạt trạng thái ổn định. Vì vậy trong giai đoạn này chiều cao nhấp nhô tế vi của chi tiết gia công thường thấp nhưng không ổn định [22]. Trị số nhám bề mặt ban đầu và sự biến đổi của chúng cũng như thời gian mòn ban đầu 0 phụ thuộc vào chế độ công nghệ khi sửa đá [22].
Hình 2.4. Ảnh hưởng của thời gian mài tới độ nhám bề mặt [22]
Giai đoạn 2: Là giai đoạn làm việc bình thường của đá mài. Quan hệ giữa Ra và là dạng quan hệ hàm mũ [22]:
. 2 1
A
a A
R (2.1)
Đưa (2.1) về dạng hàm tuyến tính bằng cách lấy logarit hai vế ta có:
log Ra= A2 log + log A1 (2.2) Đặt: log Ra= y, A2=a, log =x, log A1= b
Suy ra: y = ax + b
Giai đoạn 3: Là giai đoạn mòn khốc liệt của đá mài. Lúc này Ra tăng mạnh. Nguyên nhân là do đá mài bị mòn khốc liệt nên đá mài gồm các hạt mài có bán kính cong ở đỉnh lớn, vì thế các hạt mài chủ yếu trượt trên bề mặt gia công, công cắt chủ yếu làm biến dạng dẻo bề mặt [22].
Từ đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thời gian mài đến độ nhám bề mặt chi tiết mài và mòn đá nhận thấy, để xác định tuổi bền của đá ta có các phương án sau [22]:
- Nếu không có các yêu cầu về độ nhám bề mặt gia công (ví dụ mài thô) thì thời điểm phải sửa đá là 1 (lúc đá bắt đầu mòn khốc liệt). Trường hợp này nếu kể cả giai đoạn mòn ban đầu thì tuổi bền của đá mài T= 1.
- Nếu yêu cầu trị số độ nhám bề mặt Ra < [Ra] thì tuổi bền của đá mài T = (hình 2.4).
2.2.2.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt
Khi tăng vận tốc quay của đá mài sẽ làm tăng số lượng hạt mài tham gia vào quá trình cắt trong một đơn vị thời gian, dẫn đến giảm chiều sâu cắt của từng hạt mài riêng biệt, làm giảm lực cắt và nhiệt cắt, do đó độ nhám bề mặt của chi tiết sẽ giảm. Theo [14, 19, 21] thì công thức liên hệ giữa độ nhám bề mặt với vận tốc cắt có dạng như sau:
a . d
R C V (2.3)
Trong đó:
Vd: Vận tốc của đá mài.
: Hệ số khi xét đến ảnh hưởng của các yếu tố khác của quá trình cắt.
Trong khi hình 2.5 chỉ ra sự phụ thuộc của các đại lượng đặc trưng cũng như kết quả mài vào tốc độ cắt khi mài định hình rãnh tròn xoay.
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến các đại lượng đặc trưng của quá trình mài và kết quả mài [13]
Từ đồ thị trên hình 2.5 cho thấy khi tăng tốc độ cắt sẽ ảnh hưởng tốt đến lực cắt, độ mòn của đá mài và chất lượng bề mặt chi tiết. Cụ thể, khi tăng tốc cắt thì lực cắt sẽ giảm,
Các đại lượng điều chỉnh Thể tích cắt riêng trong
một đơn vị thời gian Shk
Tốc độ chạy dao
Vct
Tốc độ chi tiết
Tốc độ cắt Vc
Thể tích cắt riêng V’w
Q’w
Các đại lượng đặc trưng của quá trình
Sai số hình dạng (sai số kích thước)
Kết quả mài
Vc
Ra Rz
Vc
Độ nhám bề mặt
Ảnh hưởng đến Khu vực bề mặt Fn
Ft Fn
Ft
Lực cắt
Công suất cắt
Vc
Pc
Hz Độ mòn của đá
Vc
Nhiệt độ
Thời gian cắt Vc
Vc
tc
Vc
fk
Vc
Zᶹ
ᶹ
mòn đá sẽ giảm, sai số hình dạng cũng như sai số kích thước của chi tiết gia công sẽ giảm, công suất cắt sẽ tăng, chất lượng bề mặt chi tiết sẽ tăng. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt cắt sẽ tăng và chiều sâu của lớp bề mặt chịu ảnh hưởng nhiệt cũng sẽ tăng. Điều này có thể được khắc phục nhờ sử dụng hợp lý dung dịch bôi trơn làm mát. Chính nhờ những ưu điểm trên nên thực tế trong các ngành công nghiệp công nghệ cao như công nghiệp sản xuất chế tạo ổ bi thì hiện nay đang ưu tiên sử dụng mài ở tốc độ cắt cao nhất có thể.
Thông thường, khi thực hiện nguyên công mài với một loại đá mài cụ thể thì vận tốc cắt thường được chọn bằng vận tốc lớn nhất của đá theo thông số kỹ thuật của viên đá mài mà nhà sản xuất đã đưa ra.
Ngoài ảnh hưởng của những yếu tố trên, độ nhám bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay còn phụ thuộc vào một số các yếu tố công nghệ khác như độ cứng vững và độ hạt của đá mài, chất dính kết, chế độ sửa đá, thời gian làm việc sau khi sửa đá, dung dịch bôi trơn làm mát, tình trạng máy, thời gian mài hết hoa lửa, …
Tuy nhiên, trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ chính đến độ nhám bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay, bao gồm:
- Lượng chạy dao hướng kính (Shk) - Vận tốc của chi tiết (Vct)
- Lượng dư mài (t)
- Số chi tiết mài trong một chu trình (Nct)