Khi tăng tốc độ quay của chi tiết sẽ làm tăng dao động và dẫn đến nhám bề mặt tăng. Ngoài ra khi tăng tốc độ quay của chi tiết thì khả năng thoát nhiệt trong quá trình gia công sẽ tốt hơn, giảm hiện tượng cháy bề mặt. Do đó khi mài cần chọn tốc độ quay của chi tiết hợp lý để đạt được độ bóng bề mặt nhưng không bị cháy.
Nếu tăng tốc độ quay của chi tiết mài thì nhấp nhô tế vi bề mặt tăng lên (độ nhẵn bề mặt giảm) bởi vì khi chi tiết quay nhanh số lượng vết cắt qua một tiết diện vật mài giảm xuống, biến dạng của chi tiết tăng và thời gian cắt giảm làm cho các hạt mài không cắt hết các phần vật liệu dư.
b) Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công
Độ cứng và độ dai chính là những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng biến dạng dẻo của vật liệu gia công và ảnh hưởng đến nhám bề mặt chi tiết.
Độ cứng của vật liệu gia công tăng thì chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi. Khi độ cứng của vật liệu gia công đạt tới giá trị HB = 5000N/mm2 thì ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao nhấp nhô tế vi lớp bề mặt gần như không còn. Mặt khác giảm tính dẻo của vật liệu gia công cũng làm giảm chiều cao nhấp nhô tế vi lớp bề mặt [14].
c) Ảnh hưởng của thành phần thép hợp kim
Mỗi loại thép hợp kim có khả năng dẫn nhiệt khác nhau phụ thuộc vào thành phần các nguyên tố hợp kim, khi khả năng dẫn nhiệt càng giảm thì nguy cơ xảy ra cháy bề mặt mài càng tăng. Do đó cần có một chế độ cắt thích hợp khi mài các loại thép hợp kim khác nhau.
Thành phần cacbon có ảnh hưởng lớn đến độ cứng của thép hợp kim, với hàm lượng cacbon 0,25% có độ dẻo dai cao nhưng độ bền và độ cứng thấp do đó khi mài các loại thép này sẽ cho độ nhám bề mặt cao, thép có hàm lượng cacbon trung bình (0,3 0,5%) có độ bền, độ cứng khá cao còn với thép có hàm lượng cacbon cao (> 0,55%) có tính đàn hồi cao và chống mài mòn do đó ảnh hưởng khá nhiều đến lực cắt và do đó ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài .
Các nguyên tố hợp kim được đưa vào trong thép với một mục đích nào đó, trong thép 65 các nguyên tố mangan và silic làm tăng rất mạnh độ cứng, độ bền nhưng cũng làm
giảm độ dẻo dai của thép hợp kim. Các nguyên tố crom trong thép 40X, thép 9XC không những làm tăng độ cứng mà còn làm tăng tính dẻo dai và tăng tính thấm tôi của thép. Do đó, hàm lượng của mỗi thành phần hợp kim trong thép cũng gây ra ảnh hưởng khác nhau đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài.
Một số nguyên tố hợp kim khác như vonfram, molip đen hay titan v.v sẽ tạo ra những tính chất vật lý, hóa học đặc biệt cho thép hợp kim. Ví dụ như trong thép gió P18 có tổng lượng hai nguyên tố vonfram và molip đen cao (>10%) và lượng khá lớn crôm (4%). Do đó nó có tính chống mài mòn và tuổi bền cao, độ thấm tôi đặc biệt cao, có thể tôi thấu với tiết diện bất kỳ. Trong các loại thép chống mài mòn chứa lượng cacbon cao và hàm lượng mangan lớn (11.4 14.5%) có khả năng chống mài mòn cao trong điều kiện tải trọng va đập mạnh, ma sát lớn và áp lực cao v.v.
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của một số mác thép hợp kim
Mác thép C Si Mn Cr Ni Mo V
40Cr 0.37 - 0.44 0.17 - 0.37 0.50 - 0.80 0.80 - 1.10 0.30 - -
65Mn 0.62 - 0.70 0.17 - 0.37 0.90 - 1.20 0.035 0.035 0.25 -
9XC 0.85 - 0.95 1.2 - 1.6 - 0.95 - 1.25 - - -
P18 0.75 - - - - 18.0 1.1
Ngoài ra, trong thép luôn tồn tại các nguyên tố có hại như phốt pho và lưu huỳnh, các nguyên tố này là nguyên nhân gây ra hiện tượng cháy bề mặt khi mài.
Do tính chất ảnh hưởng phức tạp của tính chất cơ lý hóa vật liệu đến độ nhám bề mặt khi mài nên hầu hết các nghiên cứu trước đây đều dồn yếu tố này vào một hệ số như trong công thức tổng quát:
Ra = Cp.S.v.t (2.7) Như vậy việc giải quyết thực nghiệm để tìm ra ảnh hưởng của tính chất cơ lý hóa đến độ nhám bề mặt khi mài tròn ngoài thép hợp kim mang ý nghĩa thực tiễn cao.
2.3 Lực cắt khi mài tròn ngoài
Mài tròn ngoài là một trong những phương pháp gia công tinh các chi tiết dạng trục. Lực cắt xuất hiện khi mài gây ra rung động, làm biến đổi nhiệt độ trên chi tiết và dụng cụ cắt, ảnh hưởng đến nhám bề mặt và sai số về kích thước của chi tiết gia công
- Lực trùng với phương chạy dao gọi là lực dọc trục, ký hiệu là Px (Fa)
- Lực ngăn cản sự xâm nhập của các hạt mài vào vật liệu bị cắt và có phương vuông góc với bề mặt cắt của đá, gọi là lực pháp tuyến hay lực hướng kính, ký hiệu là Py (Fr)
- Lực tác dụng lên đá mài theo phương của chuyển động chính, nghĩa là tiếp tuyến với bề mặt đá, gọi là lực tiếp tuyến, ký hiệu là Pz (Ft).
Lực cắt khi mài tròn ngoài là một thông số động lực học phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ cắt, vật liệu gia công, đá mài v.v. Lực cắt gây ra rung động và ảnh hưởng gián đến chất lượng bề mặt. Do đó, nghiên cứu để kiểm soát lực cắt có một ý nghĩa rất lớn.
Hình 2.5 Sơ đồ lực cắt khi mài tròn ngoài
2.3.1 Phương trình cơ bản để xác định lực cắt
Để giải thích những ảnh hưởng của các thông số khác nhau và điều kiện mài đến quá trình động lực người ta đã xác lập phương trình cơ bản để xác định lực cắt tế vi bởi mỗi hạt mài riêng biệt và lực tổng hợp bởi tất cả các hạt mài phân bố trong vùng tiếp xúc.
Lực cắt tế vi của mỗi hạt mài phụ thuộc vào các yếu tố cắt được xác định theo công thức sau [1]: 1 k tv k H P p.t.b t.b H.t .b t (2.8) Trong đó: p – ứng suất cắt
t – chiều dày lớp kim loại được cắt b – chiều rộng lớp kim loại được cắt
Px
H = p.tk
k – hệ số mũ biểu thị quan hệ của độ dày lớp phoi và ứng suất cắt
Lực tiếp tuyến trong vùng tiếp xúc của đá với chi tiết được xác định bằng tích số của lực đơn vị với số hạt mài trung bình phân bố trong vùng tiếp xúc.
Công thức để tính lực P tổng hợp của các hạt mài cùng tác dụng trong vùng tiếp xúc như sau: 2 k 1 k 1 k 2 1 k k w s w 1 k s w tb s w t v d .d P H. . . .S .B . 60v 2v l d d (2.9)
Trong đó: - hệ số kể đến tính chất và độ tròn của các hạt mài, H và k là các hệ số và số mũ xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể.
Từ công thức trên ta thấy lực cắt khi mài phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố và điều kiện cắt.
2.3.2 Xác định lực cắt bằng thực nghiệm
Phương pháp đo lực cắt phổ biến nhất là đo biến dạng đàn hồi của các cơ cấu và của các chi tiết máy chịu lực được truyền từ vùng cắt đến (các cơ cấu như vậy đối với các máy mài tròn là mũi tâm, đối với các máy mài phẳng dùng các máy đo lực đặc biệt, đối với mài trong là ống lót trục của cơ cấu trục.v.v).
Để đo lực cắt trên máy mài tròn sử dụng mũi tâm đo lực mà kết cấu của chúng theo nguyên tắc vừa đảm bảo độ cứng vững của mũi tâm vừa đảm bảo biến dạng đàn hồi đủ nhạy để nhận được các tín hiệu lực truyền từ vùng cắt đến, do đó độ cứng của mũi tâm đo lực thấp hơn so với mũi tâm thông thường.
P = f(xi) (2.10)
Trong đó xi là các biến của quá trình mài.
2.3.3 Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố đến lực cắt khi mài tròn ngoài ngoài
a) Ảnh hưởng của chế độ cắt
Chế độ cắt nói chung có ảnh hưởng lớn đến lực cắt, khi tăng các thông số của chế độ cắt (S, v, t) thì lực cắt tăng lên do năng lượng cần phải bóc tách một khối lượng vật liệu lớn
hơn. Trong một số nghiên cứu thực nghiệm đã đưa ra mối quan hệ giữa chế độ cắt và lực cắt khi mài tròn ngoài [1].
b) Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu chi tiết gia công
So với các phương pháp gia công cắt gọt khác, mài yêu cầu một năng lượng lớn trên một đơn vị thể tích vật liệu cần loại bỏ, nói cách khác lực cắt khi mài sẽ lớn hơn so với các phương pháp gia công khác khi cắt đi cùng một thể tích vật liệu.
Cơ lý tính của vật liệu gia công ảnh hưởng rất phức tạp và có tính tương phản đến lực cắt. Một mặt khi tăng độ bền và độ cứng của vật liệu gia công sẽ làm giảm hệ số co rút phoi và độ lớn trượt tương đối, làm giảm công biến dạng và và công tạo phoi, tức là làm giảm lực cắt. Mặt khác khi tăng độ bền và độ cứng thì tải trọng lên bề mặt trượt tương ứng sẽ tăng làm tăng công biến dạng, công tạo phoi và do đó tăng lực cắt [1].
c) Ảnh hưởng của kích thước chi tiết gia công
Khi mài thô, kích thước của chi tiết gia công có ảnh hưởng đến lực cắt khi mài tròn ngoài. Hình 2.12 mô tả quá trình mài hai chi tiết có kích thước đường kính khác nhau d1 < d2 với cùng một chiều sâu cắt t trên cùng một đá mài. Gọi V1 và V2 là thể tích phần cắt của chi tiết 1 và chi tiết 2, khi đó V1 < V2, do đó năng lượng để hớt bỏ thể tích vật liệu V2 sẽ lớn hơn năng lượng để hớt bỏ thể tích vật liệu V1, dẫn đến lực cắt khi mài chi tiết 2 lớn hơn so với lực cắt khi mài chi tiết 1. Như vậy khi tăng kích thước đường kính của chi tiết gia công thì lực cắt cũng tăng.
Hình 2.6 Mô tả quá trình mài hai chi tiết có đường kính khác nhau với cùng chiều sâu cắt
tn s n s n w2 n w1 V 1 V 2 Ðá mài
2.4 Rung động khi mài tròn ngoài
2.4.1 Rung động khi mài tròn ngoài
Rung động là dao động cơ học của vật thể đàn hồi, sinh ra khi trọng tâm và trục đối xứng của chúng xê dịch trong không gian hoặc do sự thay đổi có tính chu kỳ hình dạng mà chúng có ở trạng thái tĩnh. Nói cách khác, rung động của một đối tượng là một trạng thái chuyển động qua lại của đối tượng đó quanh một vị trí cân bằng.
Rung động trong quá trình gia công là một một yếu tố phức tạp, rung động với cường độ thấp ảnh hưởng không nhiều đến quá trình gia công. Tuy nhiên, rung động với cường độ cao có thể ảnh hưởng đến một vài phương diện của quá trình cắt gọt như [31-33]: