3. Ý nghĩa của đề tài
2.2.3. Về năng suất gia công
Năng suất gia công trong quá trình mài gián đoạn được đánh giá thông qua lượng kim loại đượt hớt đi trong một đơn vị thời gian và hiệu quả làm việc của hạt mài. Quá trình mài cho thấy khi gia công bằng đá mài gián đoạn thì diện tích mặt cắt ngang trung bình của phoi và kích thước phoi tăng lên so với mài thông thường.
Để đánh giá lượng kim loại được hớt đi trong một đơn vị thời gian, hệ số lệch K được sử dụng [21]. Hệ số lệch K được tạo ra do biến dạng đàn hồi của vật liệu trong quá trình mài. Khi mài, biến dạng đàn hồi gây ra độ sâu cắt thực tế khác nhau (t )a từ các thiết lập chế độ cắt ban đầu (t )dn ,và K tdn ta (µm). K
có thể sử dụng để đánh giá tính chính xác kích thước của quá trình mài. Khi hệ số lệch càng lớn thì lượng vật liệu được hớt đi trong quá trình mài càng lớn (Hình 2.21).
Hình 2.21: Mối quan hệ giữa lượng kim loại được hớt đi và hệ số lệch K [21].
Đối với vật liệu mềm thì biến dạng đàn hồi lớn, do đó hệ số lệch cũng có giá trị lớn hơn so với vật liệu cứng. Điều này dẫn tới lượng kim loại được hớt đi đối với kim loại mềm cũng lớn hơn. Hệ số K có mối quan hệ trực tiếp với chiều sâu cắt và lượng chạy dao, đồng thời cũng có mối quan hệ trực tiếp với lực pháp tuyến.
Trong các nghiên cứu [14,15], một đá mài mặt đầu gián đoạn có bề mặt làm việc với mô hình lục giác, trong đó các cạnh của hình lục giác có chứa các hạt mài kim cương và lấp đầy bên trong các hình lục giác bằng vật liệu xốp carborundum màu xanh lá cây không có hạt kim cương đã được xây dựng. Các hình lục giác đặc trưng bởi kích thước của hình lục giác (x) và chiều rộng của các cạnh hình lục giác (w) (hình 2.22). Các thực nghiệm được tiến hành trên vật liệu ceramics và hợp kim magie. Kết quả thu được là hiệu quả làm việc của hạt mài cao hơn khoảng 5 lần so với đá mài thông thường.
Hình 2.22: Đá mài mặt đầu gián đoạn với mô hình lục giác
2.2.4. Về năng lƣợng tiêu thụ khi mài
Năng lượng tiêu thụ đối với quá trình mài gián đoạn và mài thông thường cũng có những sự khác nhau. Với đá mài mặt đầu gián đoạn, năng lượng tiêu thụ cho quá trình mài gián đoạn thấp hơn 25% khi mài thép cứng và 50% khi mài thép mềm so với mài bằng đá mài thông thường [10].
Với đá mài tròn gián đoạn ở các chế độ mài có lưu lượng chất làm mát khác nhau, năng lượng mài riêng đối với đá mài gián đoạn thấp hơn so với đá mài thông thường trong cùng chế độ cắt. Sự khác biệt này càng lớn khi chiều sâu cắt càng tăng, nhất là khi chiều sâu cắt lớn hơn 30µm. Ngay cả với chế độ làm mát tiết kiệm, năng lượng mài khi sử dụng đá mài thông thường vẫn cao hơn từ 6,6% đến 23,5% so với khi mài bằng đá mài gián đoạn. Điều này cho thấy, việc sử dụng các đá mài gián đoạn có thể tăng cường khả năng mài ngay cả với điều kiện làm mát hạn chế [16,17,18,19].
2.2.5. Về lƣợng mòn của đá
Các đánh giá về mòn cho thấy, lượng mòn hướng kính đối với đá mài gián đoạn cao hơn so với đá mài thông thường. Tuy nhiên, lượng mòn của đá không phải là chỉ tiêu chính để đánh giá năng suất và chi phí gia công. Do tính chất gián đoạn và không liên tục như đá mài thông thường nên mặc dù lượng mòn hướng kính của đá mài gián đoạn cao hơn đá mài thông thường nhưng tổng lượng mòn đối với đá mài gián đoạn lại nhỏ hơn so với đá mài thông thường trong cùng điều kiện gia công [21]. Nguyên nhân được giải thích là do lực cắt và nhiệt trong quá trình gia công của đá mài gián đoạn giảm đáng kể [11].
2.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG KHI MÀI BẰNG ĐÁ MÀI ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG KHI MÀI BẰNG ĐÁ MÀI GIÁN ĐOẠN
2.3.1. Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt mài 2.3.1.1. Ảnh hƣởng của tỷ lệ gián đoạn đá mài
Tỷ lệ gián đoạn của đá mài là một trong các yếu tố có những ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt. Trong đa số các trường hợp, độ nhám bề mặt khi mài bằng đá mài liên tục thông thường đạt được tốt hơn so với khi mài bằng đá mài gián đoạn. Nguyên nhân là do đá mài thường có số lượng nhiều hơn các lưỡi cắt hoạt động và cọ xát nhiều hơn với bề mặt gia công so với đá mài gián đoạn [21].
Một số nghiên cứu cho thấy độ nhám bề mặt tỷ lệ thuận với tỷ lệ gián đoạn của đá mài. Khi tỷ lệ gián đoạn của đá mài càng lớn (tức là diện tích có hạt mài trên bề mặt đá càng nhỏ) thì Ra càng tăng lên [23]. Đây cũng là kết quả thu được trong các nghiên cứu về đá mài mặt đầu gián đoạn [15], hình 2.23
Hình 2.23. Ảnh hưởng của tỷ lệ gián đoạn (%) đến độ nhám bề mặt [14]
Tuy nhiên trong một số trường hợp, Ra của bề mặt khi mài bởi đá mài thông thường lại có giá trị lớn hơn so với khi mài bằng đá mài gián đoạn mặc dù có nhiều hơn số lượng các hạt mài tham gia quá trình cắt [14].
Từ những kết quả đã phân tích ở trên cho thấy hoàn toàn có khả năng thu được bề mặt chi tiết có Ra nhỏ hơn khi mài với đá mài có các cấu trúc gián đoạn so với mài bằng đá mài liên tục thông thường.
2.3.1.2. Ảnh hƣởng của vận tốc đá mài
Vận tốc của đá mài gián đoạn là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài. Nhìn chung, trong cùng điều kiện gia công, khi vận tốc của đá mài tăng thì độ nhám bề mặt có xu hướng giảm [21].
Hình 2.24 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt khi mài với đá mài tròn gián đoạn (IG) và mài bằng đá mài liên tục thông thường (CG)
(CMC-I, CMC-II: 2 loại vật liệu ceramic; độ cứng của CMC-II > CMC-I) [21]
Tuy nhiên, nếu vận tốc đá mài gián đoạn tăng quá cao sẽ dẫn tới những hư hỏng của bề mặt chi tiết gia công và độ nhám bề mặt sẽ tăng [12]. Hình 2.25 cho thấy khi tăng vận tốc đá mài từ 500 vòng/phút lên 1.500 vòng/phút thì độ nhám bề mặt giảm, tiếp tục tăng vận tốc đá mài lên 3.000 vòng/phút thì độ nhám bề mặt tăng trở lại và có giá trị còn lớn hơn so với ban đầu.
2.3.1.3. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao và chiều sâu cắt
Độ nhám bề mặt chi tiết khi mài bằng đá mài gián đoạn cũng chịu ảnh hưởng của lượng chạy dao. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với cùng vận tốc cắt và chiều sâu cắt thì khi lượng chạy dao tăng sẽ dẫn đến tăng nhám bề mặt [21] (Hình 2.26)
Hình 2.26: Quan hệ của độ nhám bề mặt chi tiết với lượng chạy dao Vft khi mài bằng đá mài tròn gián đoạn ở chiều sâu cắt 200μm, vận tốc cắt 90m/s [21]
Bên cạnh đó, chiều sâu cắt cũng ảnh hưởng đến nhám bề mặt. Tăng chiều sâu cắt sẽ làm giảm Ra, tuy nhiên nếu tiếp tục tăng chiều sâu cắt thì Ra không giảm mà sẽ tăng trở lại (hình 2.27). Điều này cho thấy có một giá trị tối ưu của chiều sâu cắt để có thể cho độ nhám bề mặt nhỏ nhất khi mài bằng đá mài gián đoạn.
Hình 2.27:Quan hệ của độ nhám bề mặt chi tiết với chiều sâu cắt ae khi mài bằng đá mài tròn gián đoạn với cùng vận tốc cắt và lượng chạy dao [21]
2.3.2. Ảnh hƣởng đến cấu trúc và ứng suất dƣ lớp bề mặt
Khi các hạt mài chuyển động cào xước trên bề mặt vật liệu, do biến dạng dẻo, vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt và hình thành các đường rãnh. Độ nén giãn của vật liệu phụ thuộc vào độ sắc của lưỡi cắt.
Hình thái bề mặt của vật liệu khi mài với đá mài thông thường mặc dù sử dụng nhiều chất làm mát vẫn có nhiều đường xẻ rãnh. Hiện tượng trên dường như không xảy ra đối với đá mài gián đoạn mặc dù mài ở chế độ có ít chất làm mát hơn. Điều này được giải thích là đối với đá mài gián đoạn, do duy trì được độ sắc của các lưỡi cắt nên vật liệu bị cắt đi và biến dạng ít, vì vậy có ít các đường xẻ rãnh hơn so với đá mài thông thường. Kết quả thu được cho phép tăng chiều sâu cắt, giảm mòn và giảm thời gian sửa đá [19]
Ứng suất dư bề mặt theo phương vuông góc với hướng mài của đá mài gián đoạn cũng thấp hơn khoảng gần 200Mpa so với đá mài thông thường và lớp vật liệu có ứng suất dư này cũng có chiều sâu lớn hơn. Một điều quan trọng nữa là ứng suất dư kéo trên bề mặt vật liệu (ứng suất có hại) khi mài gián đoạn là không đáng kể. Ứng suất cắt dưới sâu lớp bề mặt vật liệu (khoảng 30µm) khi mài bằng đá mài thông thường có giá trị lớn và tương đối ổn định (ở mức 40 Mpa), trong khi đối với đá mài gián đoạn, ứng suất này giảm nhanh chóng gần như bằng 0 [19].
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Trong chương này, tác giả đã tập trung nghiên cứu về lịch sử phát triển của đá mài gián đoạn và tổng hợp trình bày những kết quả nghiên cứu mới nhất về đá mài gián đoạn ở Việt Nam và trên thế giới. Từ đó đi đến các kết luận sau:
1- Đá mài gián đoạn đã được nghiên cứu phát triển từ những năm 1970 và đã được ứng dụng để gia công các loại vật liệu có độ cứng cao, khó gia công
như ceramics, thép dụng cụ, thép hợp kim. Các loại hạt mài được sử dụng để chế tạo đá mài gián đoạn gồm kim cương, nhôm ôxit, CBN.
2- Đá mài gián đoạn đã khẳng định được tính ưu việt so với đá mài liên tục thông thường trong việc giảm lực cắt, nhiệt cắt, năng lượng tiêu thụ, tăng năng suất và hiệu quả gia công, đồng thời giúp tiết kiệm chi phí sửa chữa và tăng độ an toàn trong gia công. Chất lượng bề mặt khi gia công bằng đá mài gián đoạn cũng đã có những cải thiện đáng kể.
3- Bên cạnh đó, đá mài gián đoạn cũng thể hiện một số hạn chế như đòi hỏi yêu cầu cao hơn của hệ thống công nghệ (máy, dao, đồ gá). Phạm vi sử dụng của đá mài gián đoạn mới chủ yếu được dùng trong quá trình mài phẳng. Đến nay, chưa có lý thuyết toàn vẹn về đá mài gián đoạn.
Từ các kết quả thu được, nhiều nước trên thế giới đã tiếp tục mở rộng phát triển và ứng dụng đá mài gián đoạn vào sản xuất. Tuy nhiên, ở Việt Nam, đến nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu về đá mài gián đoạn được công bố. Các nghiên cứu chế tạo ra các loại đá mài gián đoạn có hình dáng hình học mới, dựa trên việc kết hợp sử dụng các loại hạt mài, chất dính kết đã có để gia công các loại vật liệu thông dụng; việc đánh giá về ứng xử của đá mài gián đoạn khi gia công vật liệu cũng còn hạn chế. Do đó, các ứng dụng đá mài gián đoạn để tăng năng suất, hiệu quả gia công chưa nhiều.
Xuất phát từ những phân tích trên và tiếp nối các nghiên cứu đi trước thấy rằng, việc tiếp tục xây dựng và phát triển đá mài gián đoạn, tiến hành các thực nghiệm đánh giá ứng xử và hiệu quả gia công của đá mài gián đoạn bằng phương pháp mài phẳng đối với các loại vật liệu, nhất là các vật liệu thông dụng trong ngành công nghệ chế tạo máy là rất cần thiết.
Trên cơ sở đó, tác giả quyết định tiến hành các thực nghiệm nghiên cứu, đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công vật liệu thép C45 sử dụng đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn bằng phương pháp mài phẳng. Từ đó đánh giá
chiều sâu cắt thực tế và năng suất cắt gọt khi gia công thép C45 bằng phương pháp mài phẳng sử dụng đá mài gián đoạn.
Chƣơng 3
CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA CÔNG THÉP C45 BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÀI PHẲNG SỬ DỤNG ĐÁ MÀI CÓ BỀ MẶT LÀM
VIỆC GIÁN ĐOẠN 3.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
- So sánh chiều sâu cắt thực tế khi gia công vật liệu thép C45 bằng phương pháp mài phẳng sử dụng đá mài gián đoạn và đá mài liên tục. Từ đó đánh giá chiều sâu cắt thực tế và năng suất cắt gọt của đá mài gián đoạn.
- Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ gián đoạn đá mài đến chiều sâu cắt thực tế.
3.2. MÔ TẢ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 3.2.1. Vật liệu thí nghiệm 3.2.1. Vật liệu thí nghiệm
Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm là thép C45. Thép C45 là thép gồm Fe và C, có nồng độ cacbon là 0,45%. Thép C45 được xếp vào loại vật liệu có tính cacbon trung bình, thường được dùng thiết kế trục, bánh răng...
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 8301:2009, thành phần hóa học và cơ tính của thép C45 được quy định tương ứng trong các Bảng 3.1 và Bảng 3.2.
Bảng 3.1 - Thành phần hoá học của thép Các bon chất lượng C45
Đơn vị tính: % Mác thép C Si Mn P S Cr Ni Cu Thành phần khác 45 0,42÷0,50 0,17÷0,37 0,50÷0,80 0,035 0,04 0,25 0,25 0,25 -
Bảng 3.2- Cơ tính của thép Các bon chất lượng C45 Mác thép Trạng thái nhiệt luyện Cơ tính, Độ cứng (HBS)
b/MPa st/Mpa 5 ,% , % ak/J*cm-2 Cán nóng
Ủ hoặc ram nhiệt độ cao
45 Thường
Thép C45 sử dụng trong thí nghiệm gồm 2 loại: thép C45 chưa nhiệt luyện có độ cứng khoảng 200÷250HB và thép 45 đã qua nhiệt luyện có độ cứng khoảng 42÷43 HRC. Tất cả các phôi thép đều có cùng kích thước 100x35x40 (mm)
Hình 3.1. là ảnh chụp phôi thép C45 nhiệt luyện và chưa nhiệt luyện sử dụng trong thí nghiệm.
a, b,
Hình 3.1: Phôi thép C45 sử dụng trong thí nghiệm
a- Thép C45 đã qua nhiệt luyện; b- Thép C45 chưa nhiệt luyện
3.2.2. Đá mài
Đá mài sử dụng trong thí nghiệm có ký hiệu Cn46MV2 350x40x127-35m/s
Các thông số cơ bản về đá mài như sau:
3.2.2.1. Vật liệu hạt mài:
Vật liệu hạt mài là hạt Corundun nâu, có thành phần như trong bảng 3.3
Bảng 3.3: Thành phần của hạt mài Corundun nâu: Hạt
corundun nâu
Thành phần
Al2O3 Fe2O3 SiO2 TiO2 Từ tính không quá
≥ 95% ≤ 0,05% ≤ 0,7% ≤ 2,4% ≤ 0,17
- Độ hạt thuộc nhóm trung bình: 46 (355 ÷ 425 µm) - Cấu trúc đá: Cấp 6, tỷ lệ thể tích vật liệu hạt mài 50 % - Chất kết dính: Gốm
- Độ cứng đá: Mv2
- Giới hạn tốc độ theo độ bền của đá: 35m/s
a. Số lượng đá mài: 06 viên (01 viên đá mài liên tục thông thường và 05 viên đá mài gián đoạn)
b. Hình dáng hình học của đá mài gián đoạn (Hình 3.2):
Hình 3.2: Hình dáng hình học của đá mài gián đoạn.
Tất cả các viên đá đều có cùng đường kính trong, đường kính ngoài và chiều rộng đá. Cụ thể như sau:
- Đường kính trong d: 127 mm
- Đường kính ngoài D: 350 mm
- Chiều rộng đá B: 40 mm
Riêng 05 viên đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn được chế tạo bằng cách tạo các rãnh cách đều nhau theo chu vi để có các viên đá gián đoạn khác nhau. Các rãnh đá đều có cùng chiều rộng và chiều sâu. Thông số hình học của các viên đá mài gián đoạn cho trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Thông số hình học của các viên đá mài gián đoạn
Viên đá Số rãnh (Z) Góc giữa 2 rãnh đá θ (độ) Chiều sâu rãnh đá H (mm) Chiều rộng xẻ rãnh W (mm) Viên 1 12 30.00 15 10 Viên 2 18 20.00 15 10 Viên 3 20 18.00 15 10
Viên 4 22 16.36 15 10
Viên 5 24 15.00 15 10