CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀI ĐỊNH HÌNH
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
- Hướng nghiên cứu 1: Nghiên cứu về máy mài trong đó tập trung nghiên cứu về độ chính xác gia công khi mài, nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới trong các lĩnh vực điều khiển, … để hướng đến giám sát và tự động hóa quá trình mài, tối ưu hóa quá trình mài.
Tại Việt Nam, khi thực hiện nghiên cứu theo hướng ở trên tác giả Nguyễn Đình Hải [8] đã thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi quá trình mài các mặt định hình khi tiến dao ngang. Trong luận văn này, tác giả không thực hiện nghiên cứu tối ưu hóa chế độ công nghệ mài mà trên cơ sở số liệu cho trước về chế độ cắt và các thông số liên quan khi mài, tác giả lựa chọn đưa ra phương án tối ưu về hệ thống điều khiển từ đó tiến hành thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thích nghi quá trình mài một số các mặt định hình trên máy mài ren Model 5820 tại xưởng C8 Trường Đại học Bách khoa Hà nội.
- Hướng nghiên cứu 2: Nghiên cứu về đá mài trong đó tập trung nghiên cứu về chiến lược lựa chọn cặp vật liệu đá mài và phôi, nghiên cứu chế tạo các loại đá mài từ các vật liệu hạt mài mới có độ cứng và khả năng cắt cao, nghiên cứu nâng cao chất lượng chế tạo đá mài và hoàn thiện kết cấu của đá mài… Theo hướng nghiên cứu trên, một số các công trình khoa học tiêu biểu như sau:
Năm 1996 tác giả Nguyễn Huy Ninh [10] đã tiến hành nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá tính cắt gọt của đá mài từ đó đưa ra các tiêu chí để lựa chọn cặp đá mài – vật liệu gia công thích hợp. Sau đó, năm 2006 tác giả Nguyễn Trọng Bình, Ngô Cường, Trần Minh Đức [17] đã đưa ra một phương pháp mới để lựa chọn đá mài có độ cứng thích hợp với vật liệu gia công dựa trên việc đánh giá khả năng cắt của đá mài bằng việc sử dụng hệ số lực cắt.
Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này chỉ thực hiện khảo sát đối với trường hợp mài phẳng và mài tròn ngoài mà chưa thực hiện nghiên cứu khảo sát với trường hợp mài định hình.
Gần đây, năm 2017 tác giả Trần Thị Vân Nga [23] khi thực hiện luận án của mình đã đưa ra một phương pháp chế tạo mới cùng với một bộ thông số công nghệ để chế tạo đá mài CBN đơn lớp liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện Niken. Đồng thời đánh giá được
đến chất lượng của chi tiết mài chưa được thực hiện nghiên cứu.
- Hướng nghiên cứu 3: Nghiên cứu về phương pháp đo mòn đá để từ đó đánh giá ảnh hưởng của mòn đá đến độ chính xác của chi tiết và xác định tuổi bền của đá mài.
Trong nước, khi nghiên cứu về mòn đá và đo lượng mòn của đá mài các công trình khoa học trước đây cũng đã đưa ra một số giải pháp và kỹ thuật đo khác nhau [3, 20, 21]. Trong tài liệu [21], tác giả Trần Đức Quý đã xây dựng được hệ thống đo mòn của đá mài bằng đầu đo lazer trên máy mài tròn ngoài như trên hình 1.21. Từ đó xác định được lượng mòn của đá mài và lượng mòn tổng cộng của đá mài sau mỗi hành trình mài. Trên cơ sở đó tài liệu [21] đã xây dựng được đồ thị mối quan hệ giữa tuổi bền của đá mài với chế độ công nghệ mài (hình 1.22), cũng như đồ thị quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết mài với chế độ công nghệ mài ứng với các thời điểm mài khác nhau (hình 1.23). Tuy nhiên, thiết bị đo này có giá thành rất cao và thường chỉ giới hạn ở dạng mài khô vì khi mài ướt thì dung dịch trơn nguội, phoi mài và các tạp chất thường làm nhiễu ánh sáng, hấp thụ ánh sáng. Các tia sáng thường bị phản xạ lệch trên các bề mặt cong hoặc nghiêng, gây khó khăn cho phép đo và làm tăng sai số đo.
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý đo mòn đá bằng đầu đo laze trên máy mài tròn ngoài [21]
Hình 1.22. Đồ thị quan hệ giữa tuổi bền của đá mài với chế độ công nghệ mài [21]
Hình 1.23. Đồ thị quan hệ giữa độ nhám Ra với chế độ công nghệ mài tại thời điểm t=1 phút [21]
Bộ khuếch đại Amplifier
Giao diện kết nối
Máy tính
Phần mềm SmartMonitor
Dữ liệu đo Matlab
program Kết quả Động cơ bước
Laser Sensor 2X–LD 300 S
Động cơ Hướng chuyển động của đầu đo Biến
tần
Chi tiết Đá mài
hệ thống đo mòn của đá mài bằng đầu đo khí nén trên máy mài phẳng (hình 1.24 và hình 1.25). Trên cơ sở đó, trong tài liệu [3] tác giả Hoàng Văn Điện đã xây dựng được hàm số cũng như đồ thị quan hệ giữa độ mòn tuyệt đối và độ mòn tương đối với chế độ cắt khi mài.
Tuy nhiên, hệ đầu đo khí nén trong các tài liệu trên chỉ thực hiện đo mòn tại một điểm trên bề rộng mặt trụ của viên đá mài khi mài phẳng. Ngoài ra, trong tài liệu [51] tác giả Nguyễn Viết Tiếp thực hiện lấy tín hiệu đo mòn như sau: Từ tín hiệu áp suất đo được trong buồng đo nhờ cảm biến áp suất sẽ được chuyển thành tín hiệu điện. Sau đó, tín hiệu điện này được ghi lại trên giấy ảnh của máy đo dao động ký. Trên cơ sở hiệu chỉnh đầu đo được thiết lập ban đầu, lượng mòn của đá mài sẽ được xác định bằng cách đo độ cao của các điểm tín hiệu điện ghi được trên giấy ảnh nhờ máy đo dao động ký. Do đó, phương pháp thu nhận và xử lý tín hiệu đo ở đây khó có thể hướng đến điều khiển thích nghi bù tự động lượng mòn của đá mài trong quá trình gia công. Trong khi, tài liệu [3] tác giả Hoàng Văn Điện khi thực hiện đo mòn trên máy mài phẳng chưa đưa ra được giải pháp thu nhận và xử lý tín hiệu đo để đo mòn đá trực tuyến trong quá trình mài.
Hình 1.24. Sơ đồ nguyên lý và kết cấu hệ thống đo mòn đá mài bằng đầu đo khí nén trên máy mài phẳng [3]
Chú thích hình 1.24:
1. Bộ đo lực; 2. Mẫu thực nghiệm; 3. Đá mài; 4. Máy in; 5. Máy tính; 6. A/D board;
7. Cáp nối Card A/D; 8. Giác nối; 9. Hộp thu nhận và cấp nguồn; 10. Áp kế mẫu; 11. Ống nối; 12. Cảm biến áp suất; 13. Nguồn cấp khí nén; 14. Van điều áp; 15. Đầu đo mòn đá mài bằng khí nén.
01 02
03 04
05 10
06 07 08
09
11
12
13 14
15 Z
.
d1
HP
Lượng mòn đá
Hình 1.25. Hình ảnh hệ thống đo mòn đá mài bằng đầu đo khí nén trên máy mài phẳng [51]
Để khắc phục nhược điểm trên, gần đây vào năm 2017 tác giả Phạm Vũ Dũng trong tài liệu [20] đã thực hiện giám sát mòn đá trên máy mài phẳng khi mài hợp kim Titan. Tuy nhiên, trong luận án này tác giả thực hiện giám sát mòn đá khi mài phẳng thông qua lực cắt đo được trong quá trình mài. Ban đầu, tác giả thực hiện đo lượng mòn hướng kính của đá mài ở trạng thái tĩnh sau khi đã kết thúc quá trình mài cho trường hợp mài phẳng bằng mặt trụ của đá. Sơ đồ đo được thể hiện như trên hình 1.26. Hình 1.26.a là vị trí của phôi và đá lúc ban đầu ứng với đồng hồ so được cài đặt ở mức 0. Trong khi hình 1.26.b là vị trí của phôi và đá mài sau khi mài chi tiết p hành trình mài với chiều sâu cắt trong mỗi hành trình bằng a. Từ đó, tác giả nhận thấy: Sau mỗi lần mài, tâm đá sẽ đi xuống một lượng là A=p.a.
Chiều cao của phôi giảm một lượng bằng H, bằng chiều dày của lớp bề mặt bị hớt đi. Trị số H này được xác định bằng trị số của đồng hồ so hiển thị ở vị trí trong hình 1.26.b. Do đá bị mòn nên H<A. Vì vậy, giá trị lượng mòn hướng kính của đá mài sẽ bằng (A-H). Từ đây, tác giả Phạm Vũ Dũng đã tính được tỷ số mài G theo công thức sau [20]:
0 0
'
' ( )
s s s
V LH LH
GV d R d AH (1.22)
Hình 1.26. Sơ đồ đo lượng mòn của đá mài khi mài phẳng bằng mặt trụ của đá [20]
Trên cơ sở đó, áp dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm tác giả Phạm Vũ Dũng đã xây dựng được hàm mối quan hệ giữa mòn đá với lực cắt để thực hiện giám sát mòn đá thông qua giá trị lực cắt đo được trong quá trình mài. Từ đó, tác giả đã xây dựng được hệ thống giám sát cảnh báo online giới hạn sửa đá trong quá trình mài phẳng bằng mặt trụ của đá mài như thể hiện trên hình 1.27.
Đá mài
Hình 1.27. Hệ thống giám sát mòn đá và cảnh báo online giới hạn sửa đá khi mài phẳng [20]
Điểm nổi bật đạt được trong tài liệu [20] là tác giả đã đưa ra được một giải pháp để giám sát trực tuyến mòn đá trong quá trình mài phẳng. Tuy nhiên, việc giám sát mòn đá thông qua lực cắt đo được trong quá trình mài, trên cơ sở hàm mối quan hệ xây dựng được giữa lực cắt với mòn đá từ giá trị mòn của đá mài đo được ở trạng thái tĩnh (theo sơ đồ hình 1.26) sẽ khó đảm bảo được độ chính xác cao.
- Hướng nghiên cứu 4: Nghiên cứu về các yếu tố công nghệ và xác định ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ chính xác gia công cũng như tuổi bền của đá mài ... từ đó hướng đến việc xác định chế độ công nghệ tối ưu. Đây là một trong những hướng nghiên cứu được rất nhiều nhà khoa học ở Việt Nam quan tâm. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về mài theo hướng trên cũng được thực hiện từ rất sớm. Trong những năm gần đây, một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về mài theo hướng nghiên cứu trên như sau:
Năm 2002, tác giả Trần Minh Đức trong công trình nghiên cứu [22] đã xây dựng được các chỉ tiêu để xác định tuổi bền của đá mài. Từ đó, tác giả thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi sửa đá đến tuổi bền của đá mài. Đồng thời trên cơ sở thực nghiệm được thực hiện trên máy mài tròn ngoài, tác giả đã xây dựng được đồ thị biểu thị quy luật biến đổi của các thành phần lực cắt theo số chu trình mài. Từ đó tác giả đã xác định được tuổi bền của đá mài.
Đây là cơ sở để hướng đến việc xác định chế độ công nghệ hợp lý khi sửa đá.
Năm 2006, tác giả Nguyễn Trọng Bình, Ngô Cường, Trần Minh Đức, Hoàng Văn Quyết, trong tài liệu [16] đã thực hiện nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt theo tiêu chí tuổi bền của đá mài khi mài tinh thép ШХ15 trên máy mài tròn ngoài bằng đá mài Hải Dương Cn46 TB1.G.V1.400X40X.203.50 m/s. Tuy nhiên, bài toán tối ưu hóa ở đây được giải khi các tham số mài chưa được xét đầy đủ tất cả ràng buộc. Trong bài báo này bài toán tối ưu chỉ được xét với duy nhất một ràng buộc là độ nhám bề mặt của chi tiết đảm bảo yêu cầu cho trước.
Thực tế, bài toán tối ưu thường phải xét với các điều kiện ràng buộc về biến (ràng buộc của các thông số chế độ cắt do điều kiện khả năng công nghệ của máy quyết định), ràng buộc hàm để đảm bảo độ chính xác gia công và năng suất của chi tiết mài. Trong đó ràng buộc
Sau đó, năm 2007 tác giả Ngô Cường trong luận án của mình [6] đã xác định được ảnh hưởng của chế độ cắt đến một số thông số đặc trưng cho quá trình cắt khi mài thép ШХ15 và X12M bằng đá mài Hải Dương trên máy mài tròn ngoài. Tuy nhiên, tài liệu [6] chưa thực hiện nghiên cứu với trường hợp mài định hình.
Gần đây, năm 2015 tác giả Nguyễn Tuấn Linh khi nghiên cứu về mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài [18] đã ứng dụng giải thuật di truyền (GA) để xây dựng bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu. Trên cơ sở đó, tác giả đã xác định được chế độ cắt tối ưu nhằm đảm bảo năng suất gia công và độ nhám của chi tiết mài khi mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài. Tuy nhiên, vấn đề đo mòn đá cũng như ảnh hưởng của mòn đá đến hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình mài đặc biệt với trường hợp mài định hình vẫn chưa được nghiên cứu.
Nhận xét: Với điều kiện sản xuất cơ khí Việt Nam hiện nay, khi vốn đầu tư cho sản xuất còn gặp nhiều khó khăn thì một trong những yêu cầu đặt ra là cần tìm được giải pháp để nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong quá trình sản xuất, trên cơ sở điều kiện kỹ thuật công nghệ hiện có. Trong khi, với một hệ thống công nghệ được đầu tư nhất định thì chế độ cắt cùng với một số yếu tố công nghệ khác là những yếu tố được điều khiển linh hoạt. Mặt khác, các yếu tố công nghệ có ảnh hưởng nhiều đến mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết mài. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt của chi tiết, để từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình mài, sẽ là một trong hướng nghiên cứu phù hợp và khả thi nhất với điều kiện sản xuất thực tế hiện nay ở Việt Nam. Vì vậy, trong luận án này xuất phát từ yêu cầu thực tế tác giả đã lựa chọn hướng nghiên cứu là xác định ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ quan trọng đến chất lượng bề mặt của chi tiết mài.
Mặt khác, qua phân tích các nghiên cứu đã thực hiện cho thấy, hầu hết các công trình trước đây đều được thực hiện trên máy mài phẳng, máy mài tròn ngoài … mà chưa có nhiều những nghiên cứu chuyên sâu được thực hiện trên máy mài định hình đặc biệt ở Việt Nam. Ở đó vẫn tồn tại những vấn đề khó giải quyết. Một trong số đó là sự mòn đá và ảnh hưởng của mòn đá cũng như các thông số chế độ cắt đến tuổi bền của đá mài và chất lượng của chi tiết gia công. Đây là những vấn đề cần được nghiên cứu và phân tích chi tiết hơn, đặc biệt là yếu tố mòn của đá mài. Yếu tố này rất quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cắt của đá mài cũng như năng suất, chất lượng và hiệu quả của toàn bộ quá trình mài định hình [30]. Vì vậy, một trong giải pháp cơ bản để nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình mài định hình là cần xác định được thời điểm sửa đá hợp lý [47]. Để đạt được điều này, một trong những yêu cầu đặt ra là cần phải đo được lượng mòn của đá mài [29, 47].
Trước đây, có một số phương pháp đo khác nhau đã được nghiên cứu để đo mòn đá mài. Tuy nhiên, qua phân tích các công trình nghiên cứu đã công bố nhận thấy phương pháp đo mòn đá bằng hệ đầu đo khí nén có nhiều những ưu điểm nổi bật. Phương pháp đo này đã được nghiên cứu để ứng dụng đo mòn đá khi mài phẳng [3, 47, 51], nhưng chưa có công trình nào thực hiện nghiên cứu và ứng dụng hệ đầu đo khí nén để đo và giám sát trực tuyến lượng mòn của đá mài khi mài định hình rãnh tròn xoay. Trong khi với trường hợp mài định
vậy, việc xác định được lượng mòn của đá mài ở đây ngay trong quá trình gia công ở điều kiện mài ướt là rất quan trọng và cần thiết hiện nay. Điều này sẽ giúp xác định được chế độ công nghệ và thời điểm sửa đá hợp lý hoặc hướng đến điều khiển thích nghi bù tự động lượng mòn của đá mài để nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình mài định hình.
Xuất phát từ những phân tích ở trên, trong luận án này một hệ thống đo khí nén dưới áp lực cao sẽ được nghiên cứu thiết kế và chế tạo để đo lượng mòn của đá mài khi mài định hình rãnh tròn xoay trên cơ sở điều kiện kỹ thuật công nghệ hiện có ở Việt Nam. Mục tiêu của luận án là xây dựng một hệ thống đo tự động trực tuyến lượng mòn của đá mài với độ phõn giải 1 àm trong điều kiện mài ướt khi mài định hỡnh rónh trũn xoay. Trờn cơ sở này, luận án sẽ thực hiện đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ quan trọng đến mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết mài. Từ đó hướng đến xác định chế độ công nghệ tối ưu và thời điểm sửa đá hợp lý để tuổi bền của đá mài là lớn nhất mà vẫn đảm bảo năng suất và chất lượng bề mặt yêu cầu của nguyên công mài định hình rãnh tròn xoay.