Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------- --------

PHẠM HỒNG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BỀ MẶT ĐỊNH HÌNH
TRÊN MÁY PHAY CNC SỬ DỤNG ĐÁ MÀI CBN.

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số
: 60.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN MINH ĐỨC

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Phạm Hồng Hải - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ
khí, khóa 2011- 2013 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng, tôi lựa chọn thực

hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên
máy phay CNC sử dụng đá mài CBN”
Đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Trần Minh Đức
và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành.
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và
chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham
khảo đã đƣợc ghi rõ trong Luận văn.
Thái Nguyên, ngày 17 tháng 11 năm 2014
Học viên

Phạm Hồng Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

iii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Trần Minh ĐứcThầy đã tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
bản luận văn này.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo,
các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn
luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận đƣợc
những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn
thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn.

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Phạm Hồng Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................... ix
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu là :..........................................................................................2
3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc ..................................................................................3
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................3
5. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................3
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ...................................................................3
7. Nội dung của luận văn.............................................................................................4
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÀI ........................................................................5
1.1. Tổng quan về công nghệ mài ...............................................................................5
1.1.1. Tổng quan về công nghệ mài ............................................................................5
1.1.2 Lực cắt khi mài .................................................................................................10

1.1.3. Nhiệt cắt khi mài .............................................................................................12
1.1.4. Công suất cắt khi mài ......................................................................................14
1.1.5. Rung động khi mài ..........................................................................................14
1.1.6. Chất lƣợng bề mặt sau mài ..............................................................................15
1.2. Mài các bề mặt định hình ...................................................................................20
1.2.1. Yêu cầu kỹ thuật của các chi tiết định hình ....................................................20
1.2.2. Các phƣơng pháp mài định hình ....................................................................20
1.2.3. Các khó khăn khi mài bề mặt định hình.........................................................21
1.3. Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài và định hƣớng
nghiên cứu .................................................................................................................22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

v

1.3.1. Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài ..........................22
1.3.2. Định hƣớng nghiên cứu...................................................................................23
CHƢƠNG II.NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BẰNG ĐÁ CBN 24
ĐỂ GIA CÔNG CÁC MẶT ĐỊNH HÌNH ................................................................24
2.1. Đặc tính của đá mài CBN...................................................................................24
2.1.1. Độ cứng ...........................................................................................................24
2.1.2. Tính chống mòn ..............................................................................................25
2.1.3. Tính dẫn nhiệt .................................................................................................25
2.1.4. Độ bền nén ......................................................................................................28
2.1.5. Lực cắt .............................................................................................................28
2.2. Mòn và tuổi bền của đá mài ...............................................................................31
2.2.1. Mòn của đá mài ...............................................................................................31
2.2.2. Tuổi bền của đá mài ........................................................................................32
2.3. Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của các yếu tố đến chất lƣợng bề mặt gia công

khi mài bằng đá mài CBN .........................................................................................33
2.3.1. Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt mài ..............................................................33
2.3.2. Ảnh hƣởng đến cấu trúc lớp bề mặt mài .........................................................38
2.3.3. Ảnh hƣởng đến ứng suất dƣ lớp bề mặt mài ...................................................39
2.4. Mài bề mặt định hình bằng đá CBN trên máy Phay CNC .................................41
2.5. Giới hạn vấn đề nghiên cứu ...............................................................................43
2.6. Kết luận ..............................................................................................................45
CHƢƠNG III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................................46
3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm.....................................................................46
3.2. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm .................................................................46
3.3. Thiết bị thí nghiệm .............................................................................................46
3.3.1. Máy phay CNC ...............................................................................................46
3.3.2. Đá mài .............................................................................................................47
3.3.3. Tƣới nguội .......................................................................................................49
3.3.4. Phôi thí nghiệm ...............................................................................................50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

vi

3.3.5. Thiết bị đo .......................................................................................................50
3.4. Trình tự thí nghiệm ............................................................................................52
3.4.1. Chuẩn bị ..........................................................................................................52
3.4.2. Tiến hành thí nghiệm ......................................................................................52
3.4.3 Xử lý kết quả thí nghiệm ..................................................................................55
3.5. Thảo luận kết quả thí nghiệm .............................................................................60
3.5.1. Nhám bề mặt ...................................................................................................60
3.5.2.Chất lƣợng bề mặt gia công .............................................................................61
3.5.3. Cấu trúc lớp kim loại bề mặt gia công ............................................................61

3.5.4. Sai lệch kích thƣớc ..........................................................................................62
3.5.5. Hiệu quả kinh tế ..............................................................................................62
3.6. Kết luận chƣơng 3 ..............................................................................................62
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................64
1. Kết luận chung ......................................................................................................64
2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo ..................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

β

Góc cắt

Độ

γ

Góc trƣớc

Độ

ρ

Bán kính lƣỡi cắt

mm

Py

Thành phần lực cắt tiếp tuyến

N

Pz

Thành phần lực cắt pháp tuyến

N

Sn

Lƣợng chạy dao ngang

m/ph

Sd

Lƣợng chạy dao dọc khi mài

m/ph

nđ

Tốc độ quay của đá

Vòng / ph

nct

Tốc độ quay của chi tiết

Vòng/ ph

az

Chiều dày cắt phoi

mm

t

Chiều sâu vết cắt

mm

a’z

Chiều dày phoi thực tế

mm

Piz

Thành phần lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến tác dụng

N

lên một hạt mài
Piy

Thành phần lực cắt theo phƣơng pháp tuyến tác dụng

N

lên một hạt mài
Kµ

Hệ số lực cắt

Pi

Lực cắt tác dụng lên một hạt mài

N

Px

Thành phần lực dọc theo phƣơng chạy dao

N

Tm

Nhiệt độ mài

Độ

Vd

Tốc độ đá mài

m/ph

p

Áp lực riêng ở vùng tiếp xúc

kg/m2

l

Chiều dài cung tiếp xúc

N

Công suất mài

km

Độ cứng tĩnh của máy

KN/mm2

kc/b

Độ cứng cắt trên đơn vị chiều rộng mài

KN/mm2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

cm
J/mm3

/>

viii

KN/mm2

ka/b

Độ cứng tiếp xúc trên đơn vị chiều rộng mài

vct

Tốc độ của chi tiết gia công

m/ph

Ssđ

Lƣợng chạy dao dọc khi sửa đá

m/ph

tsđ

Chiều sâu cắt khi sửa đá

mm

B

Bề rộng mài

mm

De

Đƣờng kính tƣơng đƣơng của đá mài

mm

τbd

Thời gian mòn ban đầu

phút

ubd

Độ mòn ban đầu

µm

τ1

Thời gian mòn bình thƣờng

phút

u1

Độ mòn bình thƣờng

µm

Thông số đánh giá độ nhám bề mặt gia công

µm

Ra, Rz

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý các phƣơng pháp mài phẳng ............................................7
Hình 1.2. Các dạng có thể có của lƣỡi cắt...................................................................8
Hình 1.3. Quá trình tạo phoi khi mài ..........................................................................9
Hình 1.4. Nhiệt và sự phân bố năng lƣợng khi mài ..................................................12
Hình 1.5. Sự hình thành độ nhám bề mặt [4] ............................................................15
Hình 1.6. Ảnh SEM bề mặt mài [14] ........................................................................16
Hình 1.7. Cấu trúc lớp bề mặt [14 .............................................................................18
Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn độ cứng của các loại hạt mài [6] ....................................24
Hình 2.2. So sánh tính chống mài mòn của đá CBN với các vật liệu khác nhau [16]...... 25
Hình 2.3. Lực cắt khi mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá CBN [26]. .....................28
Hình 2.4. Lực cắt khi mài bằng các loại đá khác nhau [13]......................................29
Hình 2.5. Ảnh hƣởng của vận tốc đá đến lực cắt khi mài bằng đá CBN [15 ] .........30
Hình 2.6. Quá trình mòn của đá ................................................................................32
Hình 2.7. Ảnh hƣởng của loại dung dịch trơn nguội ................................................34
Hình 2.7. Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với các loại dung dịch trơn nguội
khác nhau [28]. ..........................................................................................................35
Hình 2.8. Ảnh SEM trạng thái bề mặt khi mài bằng đá mài CBN với vận tốc đá
khác nhau [29] ...........................................................................................................36
Hình 2.9. Ảnh hƣởng của vận tốc đá đến độ nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN
[29] ............................................................................................................................36
Hình 2.10. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ nhám bề mặtkhi mài bằng đá
CBN [30] ...................................................................................................................37
Hình 2.11. Ảnh hƣởng của độ hạt đá mài CBN đến độ nhám bề mặt mài [31] ........38
Hình 2.12 . Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng tƣới nguội tới nhiệt độ mài khi mài bằng đá
CBN [32] ...................................................................................................................39
Hình 2.13. Ứng suất dƣ với các loại dung dịch trơn nguội khi mài bằng đá CBN và
Al203 [33] .................................................................................................................40

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

x

Hình 2.14. Ảnh hƣởng của vận tốc đá đến ứng suất dƣ khi mài bằng đá CBN [34] ......41
Hình 2-15: Các bề mặt định hình ..............................................................................42
Hình 3.1. Máy phay CNC YDC - 96.........................................................................46
Hình 3.2. Đồ gá lắp đá mài CBN lên lên máy phay CNC ........................................47
Hình 3.3. Đá mài CBN 125D-3X- 19T-31.75H, CBN 400N85B3,0 ........................49
Hình 3.4. Máy đo độ nhám Mytutoyo SJ – 201 ........................................................51
Hình 3.5. Kính hiển vi OLYMPUS GX51 ................................................................51
Hình 3.7. Tiến hành gia công bằng đá CBN trên máy phay CNC YDC - 96 ..........54
Hình 3.8. Sản phẩm sau khi gia công mài .................................................................54
Hình 3.9. Đồ thị phân bố nhám bề mặt .....................................................................55
Hình 3.10. Đồ thị phân bố sai lệch kích thƣớc lớn nhất ...........................................57
Hình 3.11. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài Hải Dƣơng...............58
Hình 3.12. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài CBN ........................58
Hình 3.13. Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng đá mài Hải Dƣơng .59
Hình 3.14. Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng CBN................59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lƣợng hợp kim [4]. .13

Bảng 2.1. Một vài số liệu về hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN và Al203 [24].. .......26
Bảng 2.2. Hệ số dẫn nhiệt lý thuyết và thực nghiệm của đá CBN và Al203 [24]. ...27
Bảng 2.3. Nhiệt độ khi mài khô bằng đá mài Al203 và CBN [25]. ..........................27
Bảng 2.4. Nhiệt độ khi mài ƣớt bằng đá mài Al203 và CBN [25].. .........................27
Bảng 2.5. Giá trị của Rw khi mài bằng đá mài CBN và Al203 [25] ........................39
Bảng 3.1.Kết quả đo nhám trung bình ......................................................................55
Bảng 3.2.Kết quả đo sai lệch kích thƣớc lớn nhất ....................................................56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Mài là một phƣơng pháp gia công tinh đƣợc sử dụng rất phổ biến trong
ngành chế tạo máy. Mài đặc biệt chiếm ƣu thế khi gia công tinh các chi tiết đã tôi
cứng, các chi tiết có độ cứng, độ bền cao vv... Với sự phát triển nhanh chóng của
khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp phát triển. Các chi tiết máy có
độ chính xác, chất lƣợng bề mặt và độ bền cao là cơ sở cho sự ra đời các loại máy
móc, thiết bị hiện đại, có chất lƣợng cao (độ chính xác, độ tin cây, độ bền cao…).
Phƣơng pháp mài có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí, nhờ khả năng vƣợt
trội so với các phƣơng pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ
học và độ cứng cao cho độ chính xác và chất lƣợng bề mặt cao.
Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về phƣơng pháp tiện cứng và phay cứng
bằng mảnh dao CBN để gia công tinh các vật liệu khó gia công đã qua tôi. Tuy
nhiên, xét về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, khi gia công những chi tiết yêu cầu độ
chính xác và chất lƣợng bề mặt rất cao thì chƣa có phƣơng pháp nào thay thế đƣợc
cho phƣơng pháp mài.
Các loại vật liệu hạt mài thông thƣờng gồm Ôxit nhôm, cacbit silic, cacbit Bo

… Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá mài sử dụng những loại vật liệu hạt
mài này bị hạn chế (đặc biệt khi mài những vật liệu khó gia công) do sau một thời
gian làm việc đá mòn và phải sửa lại đá. Việc phát minh ra loại vật liệu hạt mài siêu
cứng là cubic boron nitride (CBN) đã góp phần cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế kỹ thuật của phƣơng pháp mài. Vật liệu hạt mài này đƣợc các nƣớc công nghiệp tiên
tiến ứng dụng nhiều vào việc gia công cơ khí từ những năm 70 của thế kỷ 20.
Vật liệu CBN có độ cứng cao gần gấp đôi oxide nhôm và khả năng chịu
nhiệt đến 13710C [16]. Do độ cứng cao, đá mài làm bằng CBN có khả năng duy trì
dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lƣợng bề mặt gia công cao và ổn
định. Ngoài ra, đá mài CBN còn có khả năng lấy đi lƣợng dƣ đều đặn trên bề mặt
của chi tiết gia công mà không cần bù độ mòn của đá mài.
Từ trƣớc tới nay mài bằng đá mài CBN đƣợc nhiều nhà khoa học các nƣớc


2
quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhƣng ở Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu
về lĩnh vực này đƣợc công bố, việc sử dụng đá mài CBN vào sản xuất cũng chƣa phổ
biến. Tuy nhiên việc đánh giá ảnh hƣởng của chế độ cắt để đảm bảo chất lƣợng bề mặt
gia công đồng thời tăng tuổi bền của đá mài trong quá trình mài chƣa có công trình
nghiên cứu nào đề cập đến nhất là trong trƣờng hợp gia công các khuôn cắt cũng nhƣ
chày dâp.
Hiện nay các loại thép có độ cứng

chính xác bề mặt.
Xuất phát từ nhu cầu sử dụng và khai thác thiết bị thực tế của trƣờng Cao đẳng
nghề cơ điện Phú thọ, nhà trƣờng đƣợc trang bị một máy mài phẳng năm 2008 nhƣng từ
đó đến nay nhà trƣờng mới chỉ khai thác để mài các loại thép thƣờng với đá mài Hải
Dƣơng. Nhu cầu mài các chi tiết có độ chính xác, chịu tải va đập lớn, chịu mài mòn và
chịu ăn mòn hóa học cao là rất lớn. Việc nghiên cứu công nghệ mài các loại thép này
đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đồng thời tăng tuổi bền cho đá đảm bảo hiệu quả kinh tế
và phát huy hết tính năng của máy ứng dụng trong sản xuất cũng nhƣ trong giảng dạy của

nhà trƣờng là rất cần thiết. Mặt khác trong thực tế sản xuất khi mài các mặt định hình nhà
trƣờng chƣa có máy mài CNC nên gặp khó khăn trong gia công. Các chi tiết định hình
gia công bằng phƣơng pháp mài yêu cầu phải đảm bảo độ chính xác về kích thƣớc.
Đạt độ đồng tâm giữa các bề mặt định hình với đƣờng tâm chi tiết. Đảm bảo độ sai
lệch về hình dạng hình học, độ côn, độ ôvan..trong phạm vi cho phép vad đảm bảo
về độ nhẵn bóng bề mặt . Để giải quyết đƣợc các vấn đề này trong khi chƣa có máy
mài CNC thì việc ứng đụng khả năng công nghệ máy phay CNC để mài định hình
theo Contuor trên máy CNC là cần thiết.
Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN",
2. Mục tiêu nghiên cứu là :
Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài CBN khi mài bề mặt định hình bằng đá


3
mài CBN và đá mài Al2O3 do Nhà máy Đá mài Hải Dƣơng sản xuất với vật liệu là
thép 9XC nhiệt luyện trên máy phay CNC; Chỉ tiêu đánh giá là nhám bề mặt và sai
lệch kích thƣớc bề mặt gia công.
3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc
- Đƣa ra phƣơng pháp mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài
CBN cho chất lƣợng bề mặt tốt, đảm bảo hiệu quả kinh tế.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong đó thực nghiệm là chủ yếu
5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về mài và chất lƣợng bề mặt gia công và các yếu tố
ảnh hƣởng đến các thông số đặc trƣng cho chất lƣợng bề mặt gia công bằng phƣơng
pháp mài.
- Nghiên cứu tổng quan về các đặc tính cắt gọt của đá mài và chất lƣợng bề
mặt mài bằng đá CBN;
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC.

Đánh giá chất lƣợng bề mặt mài bằng đá CBN khi mài thép 9XC nhiệt luyện trên
máy mài phay CNC theo chỉ tiêu nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc gia công.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học:
+ Bổ sung lý thuyết về công nghệ mài nói chung và mài bề mặt định hình
nói riêng.
+ Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc nghiên cứu tối ƣu hoá quá trình mài.
+ Đề tài bổ sung đƣợc một số kết quả nghiên cứu cơ bản về mài bề mặt định
hình thép 9XC trong điều kiện kỹ thuật và công nghệ cụ thể ở Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình
trên máy phay CNC bằng đá mài CBN vào gia công cơ khí ở Việt Nam nhằm nâng
cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.


4
7. Nội dung của luận văn
Kết cấu của luận văn bao gồm ba chƣơng và phần kết luận chung
Chương 1: Tổng quan về mài
Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bằng đá CBN để gia công
các mặt định hình
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm .
Kết luận chung.


5
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÀI
1.1. Tổng quan về công nghệ mài
1.1.1. Tổng quan về công nghệ mài
a. Đặc điểm, ý nghĩa của quá trình mài

Mài là một phƣơng pháp gia công cắt gọt kim loại tốc độ cao bằng một số
lƣợng lớn các lƣỡi cắt rất bé của hạt mài. Các hạt mài đƣợc giữ chặt trong đá mài
bằng chất kết dính. Mài có nhiều đặc điểm khác biệt so với các phƣơng pháp gia công
cắt gọt khác:
- Đá mài là loại dụng cụ cắt có rất nhiều lƣỡi cắt không liên tục đồng thời
tham gia cắt, các lƣỡi cắt đƣợc tạo ra bởi các hạt mài có kích thƣớc rất nhỏ, có hình
dáng rất khác nhau và phân bố lộn xộn trong chất dính kết. Đa số các hạt mài có
nhiều lƣỡi cắt, có góc lƣợn ở đỉnh và có góc cắt không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt:
Góc trƣớc thƣờng âm và góc cắt

thƣờng lớn hơn 900, có bán kính ở các lƣỡi cắt.

- Tốc độ cắt khi mài rất cao, thƣờng Vd = 30 35 m/s, tốc độ có thể lên tới 100 m/s
hoặc cao hơn. Tiết diện phoi mài rất bé.
- Do góc cắt không hợp lý, tốc độ cắt cao nên nhiệt độ ở vùng cắt khi mài rất lớn
(1000 ÷ 15000 C) làm thay đổi cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt.
- Khi mài, mỗi hạt mài tạo ra một phoi riêng biệt có kích thƣớc rất nhỏ, số
lƣợng phoi tạo ra trong một đơn vị thời gian rất lớn (hàng nghìn phoi trong một
phút), vì thế có thể coi quá trình mài là quá trình cào xƣớc tế vi bề mặt gia công tạo ra
độ nhẵn bóng và độ chính xác cao.
- Hạt mài có độ cứng cao, cắt gọt không liên tục nên có thể gia công đƣợc
những vật liệu rất cứng mà các dụng cụ khác không cắt đƣợc nhƣ thép tôi, hợp kim
cứng, thép bền nhiệt

nhƣng lại không gia công đƣợc những vật liệu rất mềm.

- Lực cắt khi mài thƣờng không lớn (trung bình vào khoảng 300N - 400N) vì tiết
diện của phoi hạt mài rất bé. Thƣờng P y = (1,5 ÷ 3) Pz, lực Px bé hơn lực Pz nhiều.
Tuy nhiên công suất tiêu hao khi mài rất lớn vì tốc độ cắt khi mài rất cao [1].
- Trong quá trình cắt, đá mài có khả năng tự mài sắc: Dƣới tác dụng của tải

trọng cơ, nhiệt các hạt mài đã mòn bật ra khỏi bề mặt đá tạo điều kiện cho những


6
hạt mài mới tham gia vào quá trình cắt, ngoài ra một số hạt mài vỡ tạo thành những
lƣỡi cắt mới.
- Do hiện tƣợng tự mài sắc cũng nhƣ không thể chủ động thay đổi đƣợc hình
dáng và vị trí của hạt mài trong đá mài cho nên việc nghiên cứu và điều khiển quá
trình mài gặp nhiều khó khăn, các quy luật của quá trình mài chƣa đƣợc nghiên cứu
toàn diện.
Do những đặc điểm trên, đặc biệt là khả năng gia công các vật liệu có độ
cứng và độ bền cao cho độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên phƣơng pháp
mài có vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại. Mặc dù đƣợc sử dụng cả
trong gia công thô nhƣng chỉ trong gia công tinh thì những ƣu thế của phƣơng pháp
mài mới thực sự đƣợc phát huy, vì vậy mài thƣờng đƣợc chọn là nguyên công gia
công tinh lần cuối các bề mặt. Trong tổng số máy công cụ, máy mài chiếm đến 30%,
còn trong một số ngành đặc biệt nhƣ chế tạo vòng bi máy mài chiếm đến 60% [1].
Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những loại vật liệu có
tính năng cơ học cao, khó gia công ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi. Những đòi hỏi
về độ chính xác và chất lƣợng gia công ngày càng cao thì mài càng đƣợc quan tâm
nghiên cứu và sử dụng rộng rãi hơn bất kỳ một dạng gia công cơ nào khác. Do đó mài
luôn đƣợc nghiên cứu và mở rộng.
b. Khả năng công nghệ của mài
Mài có thể gia công đƣợc hầu hết các dạng bề mặt: Mặt trụ ngoài, mặt trụ
trong, mặt phẳng, mặt định hình v.v....
Ngoài ra mài còn có khả năng gia công đƣợc những chi tiết khó định vị và kẹp
chặt nhƣ: Xéc măng, viên bi v.v....
Mài có khả năng đạt độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao: Khi mài tinh có
thể đạt cấp chính xác 5 - 6, nhám bề mặt Ra = 0,1 - 0,2 m. Mài có khả năng gia công
đƣợc hầu hết các loại vật liệu nhất là các loại vật liệu mới có cơ lý tính cao (độ bền, độ

cứng, độ chịu nhiệt, chịu mài mòn). Lĩnh vực ứng dụng khác mà không có phƣơng
pháp nào cạnh tranh đƣợc với mài là trong gia công tạo hình các loại vật liệu đặc biệt
cứng hoặc đặc biệt giòn. Trong sản xuất các chi tiết thép tôi nhƣ dụng cụ cắt, ổ lăn


7
mài có thể gia công khá dễ dàng trong khi các phƣơng pháp gia công truyền thống
khác gặp khó khăn. Vì vậy mài ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
Sn
Sn
nđ

Sd

nđ

Sd
nđ

nct

Vd
a

b
Sn

nđ

nđ

Sn

Vd
nct
c

d

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý các phương pháp mài phẳng
a, b - Mài phẳng bằng chu vi đá
c, d - Mài phẳng bằng mặt đầu đá
c. Quá trình tạo phoi khi mài
Các hạt mài có độ cứng tế vi cao hơn nhiều so với độ cứng của vật liệu chi tiết
gia công. Các hạt mài có đặc điểm là rất giòn nên trong quá trình cắt, chúng thƣờng vỡ
vụn thành nhiều mảnh có hình dáng bất kỳ và nhiều cạnh sắc. Các hạt mài đƣợc phân
bố trong chất dính kết ngẫu nhiên. Do có nhiều lƣỡi cắt có hình dáng bất kỳ và các
lƣỡi cắt luôn thay đổi trong quá trình mài nên việc theo dõi hình dáng của từng lƣỡi


8
cắt phải mất rất nhiều công sức.
Để có thể hiểu đƣợc hình dáng của một lƣỡi cắt, chúng ta cần xác định mặt cắt
của dao bằng thống kê. Sau đó mô tả hình dáng, kích thƣớc của hạt mài một cách
trung bình. Trên (hình 1. 2) là hai mặt cắt đặc trƣng của hạt mài.
Hình (1.2a) mô tả mặt cắt trung bình của lƣỡi cắt tƣơng tự khi gia công bằng
dao có lƣỡi cắt xác định (tiện, phay ). Lƣỡi cắt có hình dạng là cung tròn có bán kính
cắt với chiều dày cắt phoi az . Độ sắc của lƣỡi s đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
s
Phương mài

Hạt mài

(1.1)

az

Phương mài

Hạt mài

Phương mài

Hạt mài

az

b - Dạng I

a

c - Dạng II

Hình 1.2. Các dạng có thể có của lưỡi cắt
Các dạng có thể có của lƣỡi cắt:
Dạng I: Giống với dạng lƣỡi cắt của dụng cụ có lƣỡi cắt xác định với góc
trƣớc ; góc sau

(hình 1.2 b).

Dạng II: Trên đỉnh lƣỡi cắt có diện tích mòn m với chiều dài trung bình của
diện tích mòn là Lm . Có thể coi diện tích mòn là một phần của mặt sau và ma sát của mặt
này tƣơng tự ma sát trên mặt sau của dao tiện (hình 1.2 c).
Các nghiên cứu đều cho rằng, các lƣỡi cắt chỉ bền vững khi
có thể đặt đến giá trị - 800 [9], [10], [14]

00. Thƣờng


9
Quá trình tạo phoi khi mài đƣợc mô tả trên hình 1.3 [10].
Py

Hạt mài

Phần nhô lên
của vật liệu

Phoi

a’z
z

a’z
z
aaz
z

Vd

Pz

I

IIII

Biến dạng đàn hồi

Biến dạng đàn hồi
và biến dạng dẻo

III
III

Biến dạng đàn hồi, biến dạng
dẻo và tách phôi

Hình 1.3. Quá trình tạo phoi khi mài
Do mũi dao có bán kính

và do góc ăn tới của lƣỡi cắt

nhỏ nên giai đoạn đầu

không tạo phoi mà vật liệu gia công bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, bị đẩy sang hai
bên của lƣỡi cắt hoặc chảy qua mặt dƣới của lƣỡi cắt sang mặt sau của hạt mài.
Khi lƣỡi cắt tiếp tục ăn sâu vào chi tiết thì chiều dày phoi az tƣơng ứng với
chiều sâu vết cắt t và lúc này bắt đầu tạo phoi. Tiếp theo là quá trình tạo phoi, dồn
ép kim loại gây biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi xảy ra đồng thời.
Do vậy, chiều dày phoi thực tế a’z nhỏ hơn chiều sâu cắt thực tế t .

Thời gian của mỗi giai đoạn trong quá trình tạo phoi là rất ngắn do quá trình tạo phoi
xảy ra rất nhanh, khoảng từ 0,001 - 0,005 (s).
Các nghiên cứu cho thấy rằng az', t phụ thuộc vào hình dáng hình học của
lƣỡi cắt, vào góc tác dụng , vào vận tốc cắt vd . Ngoài ra a’z còn phụ thuộc vào các
yếu tố khác nhƣ: Các thành phần của lực cắt, vào cơ lý tính của vật liệu gia công. Khi
lƣỡi cắt bị mòn ( lớn), góc

nhỏ thì biến dạng vật liệu tăng lên mặc dù t lớn nhƣng

a’z vẫn nhỏ. Khi tăng vc có ma sát giữa lƣỡi cắt và bề mặt mài thì a’z tăng.


10

1.1.2 Lực cắt khi mài
Lực cắt tác dụng vào từng hạt mài trong quá trình cắt (hình 1.3) đƣợc chia
làm hai thành phần: Lực tiếp tuyến Ptt và lực Phk [10].
Gọi

Ptt
Phk

là hệ số lực cắt

(1.2)

Khi cắt, ở giai đoạn chƣa tạo phoi (giai đoạn I,II hình 1.3), thành phần lực
Phk sẽ ép lƣỡi cắt vào bề mặt chi tiết do Phk có trị số lớn hơn rất nhiều so với Ptt
( nhỏ). Khi quá trình tạo phoi xảy ra thì Ptt tăng lên ( tăng). Lúc này Ptt gồm hai
thành phần: Lực ma sát và lực tạo phoi.

Qua nghiên cứu vết cắt, chiều sâu cắt không có biến dạng t và chiều dày phoi
thực tế az' có thể rút ra một số kết luận sau:
- Khi bán kính mũi dao

nhỏ hoặc ma sát giữa dao và bề mặt gia công lớn

thì quá trình tạo phoi xảy ra sớm.
- Khi

lớn và ma sát nhỏ thì quá trình dồn ép kim loại sẽ kéo dài, quá trình

tạo phoi xảy ra muộn.
Các hạt mài tạo ra phoi nhỏ, mảnh nên lực cắt do các hạt mài phát sinh nhỏ.
Tuy nhiên khi mài có nhiều hạt đồng thời tham gia cắt nên tổng lực cắt của
tất cả các lƣỡi khá lớn.
Nếu gọi lực cắt tổng hợp tác dụng lên một hạt mài là Pi thì lực cắt khi mài
đƣợc xác định theo công thức:
n

Pc

Pi
i 1

(N)

Trong đó:
n - Số hạt mài đồng thời tham gia cắt.
Pi - Lực cắt tác dụng lên một hạt mài.
Pc - Lực cắt tổng hợp khi mài.

Lực tổng hợp Pc đƣợc chia thành 3 thành phần :

(1.3)


11

Pc

Trong đó:

  
P z P y Px

(1.4)

Pz - Thành phần lực tiếp tuyến.
Py - Thành phần lực pháp tuyến.
Px - Thành phần lực dọc theo phƣơng chạy dao.

Thƣờng Py

(1,5

3).Pz ; Px thƣờng rất bé so với Pz nên thƣờng bỏ qua.

Thành phần lực tiếp tuyến Pz đƣợc tính theo công thức :

Pz

.

2 k

vct
60.vd

2v ct

.

t

3 k
2

lk

D d
.
d .D

1 k
2

.S d2 k .B k

1

(N)

(1.5)

Trong đó A và k là các hệ số mũ xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc
vào điều kiện gia công cụ thể. Từ (1.5) ta thấy: Lực Pz phụ thuộc vào tất cả các yếu tố
khi mài trong đó vd và Sd có ảnh hƣởng lớn nhất tới lực Pz. Chiều sâu cắt thực tế t
ảnh hƣởng tới Pz ít hơn. Khi tăng vd và độ hạt lực Pz giảm.
Khi mài tỷ số lực cắt K đƣợc xác định theo biểu thức:
K

Pz
Py

(1.6)

Hệ số lực cắt K biểu thị tƣơng quan ma sát tại vùng tiếp xúc giữa lƣỡi cắt
và chi tiết gia công.


12

1.1.3. Nhiệt cắt khi mài
Năng lƣợng và nhiệt cắt phân bố trong quá trình cắt nhƣ hình 1.4 [10].
Vd

Chất kết dính
Hạt mài
Phoi
Môi trường

Ma sát phoi
Năng lượng cắt
Ma sát
mặt trước
Năng lượng dồn ép

Chi tiết

Hình 1.4. Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài
Khi mài do các lƣỡi cắt bị mòn (hoặc do có

lớn) nên năng lƣợng tiêu hao

chủ yếu là do ma sát giữa mặt sau của dao với bề mặt gia công, do dồn ép gây biến
dạng đàn hồi, biến dạng dẻo bề mặt chi tiết và biến thành nhiệt.
Nhiệt sinh ra do năng lƣợng cắt và ma sát giữa phoi và mặt trƣớc của dao. Nguồn
nhiệt sinh ra khi mài đƣợc truyền vào chi tiết, phoi, dụng cụ và môi trƣờng.
Nhiệt truyền vào chi tiết chiếm tỷ lệ rất lớn trong tổng lƣợng nhiệt sinh ra. Nhiệt
này làm thay đổi tổ chức tế vi của bề mặt chi tiết theo hƣớng không có lợi hoặc làm
ôxy hóa bề mặt tùy theo thời gian tác động của nhiệt.
Một phần nhiệt truyền vào dụng cụ. Nhiệt này sẽ làm suy giảm độ cứng, suy
giảm tính cắt của các hạt mài và suy giảm tính năng của chất dính kết. Ngoài ra
nguồn nhiệt này còn thúc đẩy các tƣơng tác hóa học xảy ra trong vùng cắt.


13
Để làm giảm ảnh hƣởng của nhiệt, ngƣời ta sử dụng hạt mài, đá... và dung dịch trơn
nguội một cách hợp lý
Hàm lƣợng hợp kim
2%Cr

0,025

12% Cr

0,050

18% w

0,070

2% Mn

0,078

1,1%C

0,102

Bảng 1. 1. Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim [4].
Nhiệt độ mài Tm có thể xác định theo công thức sau [3], [4]:
Tm

Trong đó:

k . . p.(l.vd ) 0.5 0
( C)
( . .c) 0.5

( 1.7)

k - Hệ số thực nghiệm.
µ - Hệ số ma sát giữa đá và vật liệu gia công.
p - Áp lực riêng ở vùng tiếp xúc (kg/m2).
l - Chiều dài cung tiếp xúc (cm).
vd - Tốc độ đá mài (m/ph).
- Hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công (Kcal/cm.g.độ).
- Khối lƣợng riêng của vật liệu gia công.
c - Nhiệt dung của vật liệu gia công.
Phƣơng trình (1.7) cho thấy nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: Chế
độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu hạt mài, chất dính kết, độ xốp của đá mài, dung
dịch trơn nguội và phƣơng pháp tƣới nguội.
Tỷ lệ các nguyên tố hợp kim trong vật liệu là yếu tố ảnh hƣởng quyết định
đến hệ số truyền nhiệt của vật liệu. Những vật liệu có số lƣợng và hàm lƣợng nguyên
tố hợp kim cao thì hệ số truyền nhiệt thấp. Khi mài những loại vật liệu này nhiệt lan
truyền chậm làm cho nhiệt độ vùng mài tăng cao, bề mặt chi tiết mài dễ bị cháy, nứt
(bảng 1.1).


14
Khác với các phƣơng pháp cắt gọt khác, khi mài bằng đá thƣờng nhiệt độ mài chủ
yếu truyền vào chi tiết gia công (65%

84%), phần còn lại truyền vào đá mài (11%

12%), vào dung dịch trơn nguội (4% 13%) và vào phoi không đáng kể (3% 7%) [4].
Để giảm nhiệt độ mài có thể dùng các biện pháp sau:
- Giảm bớt chế độ cắt.
- Dùng dung dịch trơn nguội và các biện pháp tƣới nguội tiên tiến.
- Sử dụng những loại đá mài có bề mặt làm việc không liên tục, đá mài độ

xốp cao.
- Không mài khi đá quá mòn. Dùng những vật liệu hạt mài có khả năng
cắt gọt cao.
1.1.4. Công suất cắt khi mài
Công suất mài có thể xác định theo công thức:
N

Pz

(1. 8)

d

Mặc dù lực cắt khi mài thƣờng nhỏ (vì tiết diện phoi cắt bé) nhƣng công suất
mài lại lớn do tốc độ cắt khi mài rất cao (thƣờng

d

30m / s ).

1.1.5. Rung động khi mài
Rung động khi mài gồm hai loại rung: Rung động cƣỡng bức và tự rung. Các
tác giả [11], [14] ...cho rằng nguyên nhân của rung động cƣỡng bức là do các bộ
phận quay của hệ thống công nghệ nhƣ trục chính, puly, đá, rô to của động cơ
không cân bằng gây ra.
Tự rung phức tạp hơn nhiều so với rung động cƣỡng bức và đã có nhiều công
trình nghiên cứu về vấn đề này. Theo các tác giả [14]... thì tự rung xảy ra do hiện
tƣợng không ổn định khi cắt gây ra sự thay đổi lực cắt mà những nguyên nhân chính
là: Biến dạng đàn hồi cục bộ của đá và phôi, mòn đá không đều, hiện tƣợng tự mài
sắc của đá mài, dao động xoắn của chi tiết gia công.

Tự rung sẽ giảm và ổn định [14] nếu thỏa mãn điều kiện:
Rem
km

Trong đó:

1
2k c

1
ka

(1.9)