Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến nhiệt độ vùng cắt khi mài phẳng thép 9XC qua tôi bằng đá mài hải dương

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CAO VĂN NHÃ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ
TRƠN NGUỘI ĐẾN NHIỆT ĐỘ VÙNG CẮT
KHI MÀI PHẲNG THÉP 9XC QUA TÔI
BẰNG ĐÁ MÀI HẢI DƯƠNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VŨ NGỌC PI

Thái Nguyên, tháng 11 năm 2016
1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong
Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất ký một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo
đã được nêu rõ trong luận văn.

Tác giả

Cao Văn Nhã

2

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Ngọc Pi, người đã hướng dẫn
và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, hướng dẫn lập kế hoạch thực nghiệm
đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Vũ Tuấn Anh, người đã giúp đỡ
tôi thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo nhiệt khi mài. Tác giả xin chân
thành cảm ơn Thạc sĩ Lưu Anh Tùng đã giúp đỡ và phối hợp trong quá trình
thực nghiệm để ra được kết quả chính xác của Luận văn.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Trung cấp
nghề Nam Thái Nguyên, Ban lãnh đạo và Khoa sau đại học Trường Đại học kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành Luận
văn này.
Đồng thời, tác giả xin cảm ơn các anh chị đang làm việc tại xưởng cơ khí
Thái Hà đã tận tình giúp đỡ trong thời gian thực nghiệm tại xưởng.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi sai sót, tác
giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy cô, các nhà khoa học và
các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Cao Văn Nhã

3


Trang
LỜI CAM ĐOAN

1

LỜI CẢM ƠN

2

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

5

DANH MỤC CÁC BẢNG

10

PHẦN MỞ ĐẦU

11

1. Tính cấp thiết của đề tài

11

2. Mục tiêu của nghiên cứu

12

3. Kết quả dự kiến

12

4. Phương pháp nghiên cứu

12

5. Nội dung nghiên cứu

12

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu về gia công mài và mài phẳng

14

1.2. Quá trình tạo phoi khi mài

15

1.3. Nhiệt cắt khi mài

16

1.3.1. Nhiệt cắt sinh ra khi mài và mài phẳng

16

1.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt khi mài

17

1.4. Bôi trơn làm mát khi mài phẳng

20

1.4.1. Vai trò của sử dụng dung dịch trơn nguội khi mài

20

1.4.2. Các loại dung dịch trơn nguội

21

1.4.3. Các phương pháp tưới nguội

23

1.5. Kết luận chương 1

25

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ NHIỆT CẮT KHI MÀI VÀ ẢNH HƯỞNG
CỦA TƯỚI NGUỘI ĐẾN NHIỆT CẮT KHI MÀI
2.1. Tổng quan về nhiệt cắt khi mài

27
4


2.2. Tổng quan về ảnh hưởng của tưới nguội đến nhiệt cắt khi mài

37

2.3. Kết luận chương 2

52

CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO NHIỆT CẮT KHI
MÀI PHẲNG
3.1. Giới thiệu

53

3.2. Nguyên lý đo nhiệt độ

55

3.3. Sơ đồ hệ thống đo nhiệt độ khi mài phẳng

57

3.4. Kết luận chương 3

64

CHƯƠNG 4
ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ TRƠN NGUỘI ĐẾN NHIỆT
ĐỘ VÙNG CẮT KHI MÀI PHẲNG THÉP 9XC QUA TÔI
BẰNG ĐÁ MÀI HẢI DƯƠNG.
4.1. Thiết kế thí nghiệm

66

4.1.1. Các giả thiết của thí nghiệm

66

4.1.2. Thiết bị thực hiện thí nghiệm

66

4.1.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm

72

4.2. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công
nghệ khi mài phẳng đến nhiệt cắt và nhám bề mặt
4.2.1. Phân tích kết quả thí nghiệm

72
76

4.3. Thí nghiệm tối ưu hóa một số thông số công nghệ đến nhiệt
cắt T0 khi mài thép 90CrSi qua tôi bằng đá mài Hải Dương
4.4. Kết luận chương 4

85
89

CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.

5.1. Kết luận

91

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

91

TÀI LIỆU THAM KHẢO

93
5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
STT

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Quá trình mài phẳng

14

Hình 1.2

Quá trình tạo phoi khi mài [1]

15

Hình 1.3

Sự phân bố năng lượng và nhiệt cắt khi mài [2]

16

Hình 1.4

Cấu trúc tế vi pha Austennit của thép không gỉ AISI
304[3]

18

Hình 1.5

Sự hình thành độ nhám bề mặt mài[4]

19

Hình 1.6

Sơ đồ tưới nguội thông dụng trên máy mài[5]

24

Hình 2.1

Mô hình vật rắn chịu tải nhiệt quá độ[6]

27

Hình 2.2

Hình 2.3

Kết quả mô phỏng bài toán truyền nhiệt quá độ bằng
ANSYS[6]
Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ở trung
tâm vật khối[6]

28

28

Hình 2.4

Lưới mô hình nhiệt và điều kiện biên[7]

29

Hình 2.5

Mô hình nhiệt[7]

29

Hình 2.6

So sánh nhiệt đo bằng hồng ngoại và mô hình số[7]

30

Hình 2.7

Hình 2.8

Hình 2.9

Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12

Mối quan hệ giữa thông lượng nhiệt với chiều sâu
cắt[6]
Mối quan hệ giữa thông lượng nhiệt và thời gian tác
động của nguồn nhiệt[6]
Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với chiều sâu cắt
và vận tốc phôi[6]
Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với chiều sâu cắt
và vận tốc cắt[6]
Xu hướng nhiệt độ trên bề mặt trong HEDG [8]
Xu hướng nhiệt độ bề mặt với sự tăng tốc độ dụng cụ
theo[8]
6

30

31

32

32
33
34


Hình 2.13

Hình 2.14

Hình 2.15

Hình 2.16

Nhiệt phân vùng theo các thành phần trong HEDG
[9]
Xu hướng phân phối Nhiệt độ trong HEDG với tốc
độ làm việc và chiều sâu cắt [9]
So sánh nhiệt độ bề mặt phôi khi sử dụng chiều sâu z
khác nhau[10]
Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt với chiều sâu cắt và vận
tốc phôi khác nhau[10]

35

35

36

37

Đồ thị lực cắt pháp tuyến và lực cắt tiếp tuyến trung
Hình 2.17

bình khi sử dụng 3 loại dung dịch trơn nguội với 15

37

lượt cắt [11]
Đồ thị lực cắt pháp tuyến và lực cắt tiếp tuyến trung
Hình 2.18

bình khi sử dụng 3 loại dung dịch trơn nguội với 30

38

lượt cắt [11]
Đồ thị hệ số lực cắt Kp khi mài thép X12M bằng đá
Hình 2.19

mài CBN và đá mài thường, sử dụng 3 loại dung dịch

38

trơn nguội với 15 và 30 lượt cắt [11]
Đồ thị hệ số khả năng cắt khi mài thép X12M của đá
Hình 2.20

mài CBN và đá mài thường, sử dụng ba dung dịch

39

trơn nguội với 15 và 30 lượt cắt [11].
Ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội đến độ
Hình 2.21

nhám bề mặt gia công khi mài bằng đá Al2O3 và CBN

40

[12]
Hình 2.22
Hình 2.23
Hình 2.24

Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến độ nhám bề
mặt mài [13]
Ảnh SEM bề mặt mài với dung dịch nhũ tương [14]
Ảnh hưởng của lưu lượng tới tốc độ bóc tách vật liệu
[14]
7

41
42
43

Hình 2.25

Hình 2.26

Hình 2.27

Ảnh hưởng của lưu lượng tới giới hạn năng lượng
[14]
Ứng suất dư bề mặt mài với lưu lượng tưới nguội
khác nhau [15].
So sánh nhiệt độ vùng cắt khi sử dụng phương pháp
bôi trơn khác nhau[17]

43

44

45

Sự phụ thuộc nhiệt độ mài thép EN31 vào tốc độ bóc
Hình 2.28

tách vật liệu khi sử dụng phương pháp bôi trơn làm

46

mát khác nhau[18]
Sự phụ thuộc nhiệt độ mài thép M2 vào tốc độ bóc
Hình 2.29

tách vật liệu khi sử dụng phương pháp bôi trơn làm

46

mát khác nhau[18]
Sự phụ thuộc nhiệt độ mài thép EN8 vào tốc độ bóc
Hình 2.30

tách vật liệu khi sử dụng phương pháp bôi trơn làm

47

mát khác nhau[18].
Hình 2.31

Hình 2.32

Hình 2.33

Hình 2.34

Hình 2.35

Độ tăng của nhiệt độ mài với khoảng cách z khác
nhau khi mài khô[19]
Độ tăng của nhiệt độ mài với khoảng cách z khác
nhau khi mài dùng phương pháp tưới tràn[19]
Độ tăng của nhiệt độ mài với khoảng cách z khác
nhau khi mài dùng phương pháp bôi trơn tối thiểu[19]
Ảnh hưởng của phương pháp tưới nguội tới ứng suất

dư bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 và đá CBN [20]
Ảnh hưởng của phương pháp tưới nguội tới ứng suất
dư bề mặt khi mài bằng đá BWA60MVA1 [21]

48

49

50

51

51

Hình 3.1

Cấu tạo của đầu đo nhiệt

55

Hình 3.2

Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu

56

Hình 3.3

Cầu hình thiết lập cặp nhiệt hai cực

57

8


Hình 3.4

Sơ đồ khối tổng quan phần cứng

57

Hình 3.5

Khối cảm biến

58

Hình 3.6

Khối cảm biến, lọc và khuếch đại

58

Hình 3.7

Sơ đồ nguyên lý của module chuyển đổi tín hiệu và
truyền thông

59

Hình 3.8

Sơ đồ khối hệ nhúng

59

Hình 3.9

Sơ đồ thuật toán phần mềm

61

Hình 3.10

Giao diện người dùng với phần mềm

62

Hình 3.11

Module khuếch đại và hiển thị

63

Hình 4.1

Máy mài phẳng MOTO – YOKOHAMA – Nhật Bản

67

Hình 4.2

Bản vẽ thiết kế phôi thí nghiệm

67

Hình 4.3

Thiết bị đo nhiệt

69

Hình 4.4

Đồng hồ đo lưu lượng Z-5615 Panel Flowmeter

69

Hình 4.5

Máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo

69

Hình 4.6

Đá mài Hải Dương dùng trong thí nghiệm

70

Hình 4.7

Sơ đồ bố trí thí nghiệm

71

Hình 4.8

Khai báo biến thí nghiệm sàng lọc

73

Hình 4.9

Hình 4.10

Hình 4.11

Hình 4.12

Hình 4.13

Đồ thị các ảnh hưởng chính của các yếu tố LL, ND,
Vb, t đến nhiệt cắt T0.
Đồ thị các ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố LL,
ND, Vb, t đến nhiệt cắt T0.
Đồ thị ảnh hưởng chuẩn hóa ảnh hưởng của các yếu
tố LL, ND, Vb, t đến nhiệt cắt T0.
Đồ thị Pareto của các yếu tố ảnh hưởng LL, ND, Vb,
t đến nhiệt cắt T0.

Đồ thị các ảnh hưởng chính của các yếu tố LL, ND,
Vb, t đến Ra.
9

76

77

79

80

81


Hình 4.14

Hình 4.15

Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18

Hình 4.19

Đồ thị các ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố LL,
ND, Vb, t đến Ra.
Đồ thị ảnh hưởng chuẩn hóa ảnh hưởng của các yếu
tố LL, ND, Vb,, t đến Ra.
Đồ thị Pareto của các yếu tố ảnh hưởng LL, ND, Vb, t

đến Ra.
Khai báo biến thí nghiệm tối ưu hóa.
Biểu đồ ảnh hưởng chính ở các mức của các yếu tố
đến T0.
Biểu đồ ảnh hưởng chính ở các mức của các yếu tố
đến hệ số S/N khi tối thiểu hóa T0.

10

82

83

84
85
87

88


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
Bảng 2.1

Nội dung
Trị số độ nhám bề mặt gia công khi mài bằng đá Al2O3
và CBN [12]

Trang
39

Bảng 3.1.

Thông số module khuếch đại và hiển thị

63

Bảng 3.2

Thông số kỹ thuật module điều khiển trung tâm

64

Bảng 4.1

Các thông số kỹ thuật của máy

66

Bảng 4.2

Thành phần hóa học các nguyên tố

68

Bảng 4.3

Chế độ nhiệt luyện

68

Bảng 4.4

Thông số kỹ thuật của dầu Caltex Aquatex 3180

70

Bảng 4.5

Phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm

72

Bảng 4.6

Kế hoạch thí nghiệm sàng lọc theo LL, ND, Vb, t

74

Bảng 4.7

Kết quả thí nghiệm nghiệm sàng lọc theo LL, ND, Vb, t

75

Bảng 4.8
Bảng 4.9
Bảng 4.10

Các mức thí nghiệm tối ưu hóa của các thông số ND,

LL, Vb và t.
Kế hoạch thí nghiệm tối ưu hóa theo LL, ND, Vb, t.
Kết quả thí nghiệm nghiệm tối ưu hóa theo LL, ND, Vb,
t.

11

84
85
86


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
- Trong gia công cơ khí, gia công bằng phương pháp mài có nhiều ưu
điểm như: Mài có thể gia công với chiều sâu cắt rất nhỏ (từ (0,005÷0,1) mm),
vận tốc cắt lớn (30÷50) m/s với mài thông thường và đến 200 m/s với mài cao
tốc). Độ chính xác và độ bóng bề mặt sau mài đạt rất cao (cấp chính xác từ
(5÷7), nhám bề mặt Ra= (0,2÷3,2) μm). Đặc biệt, mài chiếm ưu thế cao khi gia
công tinh các bề mặt có độ cứng, độ bền cao vv.. Nhờ các ưu điểm nêu trên
nên nguyên công mài chiếm một vị trí rất quan trọng trong gia công cơ khí.
- Các vật liệu hạt mài thông thường như oxide nhôm, silicon carbide,
carbide boron, cubic boron nitride…trong đó Al203 là đá mài được sử dụng
nhiều nhất trong các nhà máy, phân xưởng với ưu điểm giá thành rẻ, dễ kiếm
và phù hợp để gia công nhiều loại vật liệu khác nhau. Đá mài Al 203 thường
dùng để mài tinh: Thép hợp kim, dụng cụ đo, khuôn dập…
- Thép 9XC là mác thép được dùng phổ biến nhất của nhóm thép hợp
kim. Nó thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy có độ chính xác cao như
dụng cụ cắt, dụng cụ đo, khuôn dập, ….Kết quả nghiên cứu với mác thép 9XC
cho phép áp dụng khi mài các thép dụng cụ khác.

- Mài có vị trí rất quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo máy đặc biệt là
trong gia công tinh nên đã có rất nhiều công trình nghiên cứu khác nhau trong
lĩnh vực mài được công bố và ứng dụng có hiệu quả trong thực tế sản xuất. Để
nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của nguyên công mài nói chung và mài
phẳng nói riêng, các vấn đề về mài vẫn đang được quan tâm nghiên cứu.
Từ các phân tích trên, có thể nói cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu về
bôi trơn làm mát về mài nói chung và về mài phẳng nói riêng. Tuy nhiên, cho
đến nay chưa có nghiên cứu nào nghiên cứu về ảnh hưởng của các loại dung
dịch bôi trơn làm mát đến nhiệt độ vùng cắt khi mài phẳng thép 9XC qua tôi
bằng đá mài Hải Dương. Từ những đặc điểm và tình hình nêu trên tác giả chọn

12


đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến nhiệt độ vùng cắt
khi mài phẳng thép 9XC qua tôi bằng đá mài Hải dương” .
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
*Mục tiêu:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến nhiệt cắt khi mài
phẳng thép 9XC qua tôi bằng đá mài Hải dương. Từ đó đề xuất chế độ trơn
nguội hợp lý khi mài phẳng vật liệu này.
* Nội dung:
- Thiết kế chế tạo hệ thống đo nhiệt độ vùng cắt khi mài phẳng.
- Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến nhiệt
độ vùng cắt khi mài phẳng thép 9XC qua tôi bằng đá mài Hải dương.
- Đề xuất chế độ trơn nguội hợp lý khi mài phẳng thép 9XC qua tôi bằng
đá mài Hải dương.
3. Kết quả dự kiến
- Chế tạo thành công hệ thống đo nhiệt cắt khi mài phẳng
- Từ kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến nhiệt độ

vùng cắt khi mài phẳng thép 9XC qua tôi bằng đá mài Hải dương đưa ra chế
độ trơn nguội hợp lý khi mài phẳng thép 9XC qua tôi bằng đá mài Hải dương.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Đề tài được tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm.
5. Nội dung nghiên cứu
5.1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ trơn nguội khi mài phẳng.
5.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ trơn nguội đến chất lượng bề mặt
gia công khi mài phẳng.
5.3. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo nhiệt.
5.4. Nghiên cứu thực nghiệm.
- Xây dựng hệ thống: Chọn máy, phôi thí nghiệm, đá mài, công nghệ trơn
nguội, hệ thống đo lường…..
13


- Xây dựng kế hoạch thực nghiệm.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả thí nghiệm.
5.5. Viết báo cáo khoa học.

14


Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu về gia công mài và mài phẳng
Ngày nay, các sản phẩm cơ khí yêu cầu chất lượng ngày càng cao. Để
nâng cao chất lượng sản phẩm một mặt người ta sử dụng ngày càng nhiều các
loại vật liệu có cơ lý tính tốt, mặt khác nâng cao độ chính xác gia công và chất
lượng bề mặt. Mài là một trong những phương pháp gia công cơ khí có thể đáp
ứng yêu cầu về gia công đã nêu.

Mài nói chung và mài phẳng nói riêng có thể gia công với chiều sâu cắt
rất nhỏ (từ 0,05 - 0,09 mm), vận tốc cắt lớn (30 - 50 m/s với mài thông thường
và đến 200 m/s với mài cao tốc). Độ chính xác gia công sau mài đạt khá cao và
độ nhám bề mặt thấp (cấp chính xác từ 5-7, độ nhám bề mặt từ 0,2 - 3,2 μm).
Mài đặc biệt chiếm ưu thế khi gia công tinh các chi tiết đã tôi cứng, các chi tiết
có độ cứng, độ bền cao vv.. Nhờ các ưu điểm nói trên mà mài là nguyên công
gia công tinh và bán tinh phổ biến nhất trong gia công cơ khí. Nguyên công
mài chiếm khoảng 20 - 25% tổng chi phí cho gia công cơ nói chung.

Hình 1.1 Quá trình mài phẳng
Mài phẳng là phương pháp cơ bản để gia công tinh mặt phẳng. Nó có
thể dùng để gia công lần cuối mặt phẳng đã qua tôi sau khi phay hoặc bào.
Ngoài ra nó có thể thay thế cho phay hoặc bào trong sản xuất lớn hoặc để gia
công các chi tiết khó định vị và kẹp chặt.
Mài phẳng các bề mặt của chi tiết được thực hiện trên các máy mài
phẳng bằng mặt đầu hoặc chu vi của đá. Mài phẳng cho năng suất cao vì diện
15


tích tiếp xúc của đá và chi tiết lớn, dễ cơ khí hóa, tự động hóa, thích hợp với
sản xuất loạt lớn và hàng khối, có thể mài được các chi tiết mỏng, khó định vị
và kẹp chặt. Tuy nhiên do diện tích giữa đá và chi tiết gia công lớn nên quá
trình mài phẳng sinh nhiệt lớn hơn so với các phương pháp mài khác nên dễ
gây biến dạng nhiệt trong quá trình mài.
1.2. Quá trình tạo phoi khi mài
Quá trình mài là quá trình cắt gọt vật liệu bằng các hạt mài có độ cứng
cao. Mài có nhiều đặc điểm khác biệt so với các phương pháp gia công cắt gọt
khác. Đá mài là loại dụng cụ cắt có rất nhiều lưỡi cắt không liên tục đồng thời
tham gia cắt, các lưỡi cắt được tạo ra bởi các hạt mài có kích thước rất nhỏ, có
hình dáng rất khác nhau và phân bố lộn xộn trong chất dính kết. Đa số các hạt

mài có nhiều lưỡi cắt, có góc lượn ở đỉnh và có góc cắt không thuận lợi cho
điều kiện cắt gọt: Góc trước γ thường âm và góc cắt β thường lớn hơn 900.
Quá trình tạo phoi khi mài gồm ba giai đoạn. Giai đoạn đầu chưa tạo ra
phoi vì bán kính mũi dao và góc ăn tới của lưỡi cắt nhỏ. Trong giai đoạn này
hạt mài va đập vào bề mặt chi tiết gia công, lực va đập này phụ thuộc vào chế
độ mài: tốc độ quay của đá, tốc độ quay của chi tiết, lượng chạy dao. Vật liệu
gia công ở giai đoạn này bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, bị đẩy sang hai
bên của lưỡi cắt hoặc chảy qua mặt dưới của lưỡi cắt sang mặt sau của hạt mài.

Hình 1.2. Quá trình tạo phoi khi mài [1]
16


Khi lưỡi cắt tiếp tục ăn sâu vào chi tiết thì chiều dày phoi tương ứng với
chiều sâu vết cắt khi đó áp lực mài tăng lên, nhiệt tăng làm cho biến dạng đàn
hồi và biến dạng dẻo của kim loại tăng dần và lúc này bắt đầu tạo phoi. Tiếp
theo là quá trình tạo phoi, kim loại bị dồn ép gây biến dạng dẻo, biến dạng đàn
hồi xảy ra đồng thời vì vậy chiều dày phoi thực tế nhỏ hơn chiều sâu cắt thực
tế. 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).
1.3. Nhiệt cắt khi mài.
1.3.1. Nhiệt cắt sinh ra khi mài và mài phẳng
Trong quá trình gia công, nhiệt độ tại bề mặt mài ảnh hưởng rất lớn đến
chất lượng của bề mặt vật liệu gia công.

Hình 1.3. Sự phân bố năng lượng và nhiệt cắt khi mài [2]
Khi mài do các lưỡi cắt bị mòn nên năng lượng 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
lượng cắt và ma sát giữa phoi và mặt trước của dao. Nguồn nhiệt sinh ra khi

mài sẽ được truyền vào chi tiết, phoi, dụng cụ và môi trường. Nhiệt truyền vào
chi tiết chiếm tỷ lệ rất lớn trong tổng lượng nhiệt sinh ra. Nhiệt này làm thay
đổi tổ chức tế vi của bề mặt chi tiết theo hướng không có lợi hoặc làm oxy hóa
17


bề mặt tùy theo thời gian tác động của nhiệt. Một phần nhiệt khác sẽ 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 tương tác hóa học xảy ra trong vùng cắt. Do tốc độ cắt cao và góc
cắt của các hạt mài không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt nên nhiệt độ ở vùng
tiếp xúc giữa đá mài với chi tiết Do tốc độ cắt cao và góc cắt của các hạt mài
không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt nên nhiệt độ ở vùng tiếp xúc giữa đá mài
với chi tiết gia công rất lớn (khoảng 1090 – 16500C[2]), thời gian tác dụng để
phát sinh nhiệt rất ngắn (1.10-4 - 5.10-6s) sau đó nhiệt lại giảm xuống nhanh
chóng.
Nhiệt độ mài Tm có thể xác định theo công thức sau:

Trong đó:

k - hệ số thực nghiệm.
 - hệ số ma sát giữa đá và vật liệu gia công.
p - áp lực riêng ở vùng tiếp xúc (kg/m2).
l - chiều dài tiếp xúc (cm).
d - tốc độ đá mài (m/ph).
 - hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công (Kcal/cm.g. độ).
 - khối lượng riêng của vật liệu gia công.
c - nhiệt dung của vật liệu gia công.

Từ phương trình cho thấy nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: chế độ

cắt, vật liệu gia công, vật liệu hạt mài, chất dính kết, độ xốp của đá mài, dung
dịch trơn nguội và phương pháp tưới nguội. Để giảm ảnh hưởng của nhiệt
người ta sử dụng hạt mài, đá mài, dung dịch trơn nguội… một cách hợp lý.
1.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt khi mài

18


1.3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến cấu trúc lớp kim loại bề mặt chi tiết
gia công
Lực cắt khi mài không lớn so với các phương pháp cắt gọt khác nhưng do tốc
độ cắt cao, góc cắt của các hạt mài không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt, sự
tham gia cắt gọt của nhiều hạt mài và sự ma sát, cào miết của các hạt mài
không cắt gọt làm cho nhiệt phát sinh trong vùng tiếp xúc giữa đá mài và chi
tiết gia công rất lớn (1090 ÷ 16500C). Nhiệt cắt khi mài lớn làm biến dạng
mạng tinh thể của vật liệu. Kiểm tra kim tương bề mặt mài của các loại thép đã
tôi cho thấy có sự thay đổi cấu trúc, lượng ôstenit dư tăng lên chứng tỏ trong
quá trình mài có sự tôi lại lần hai. Sự thay đổi cấu trúc lớp bề mặt chỉ xảy ra
với các loại thép đã tôi cứng còn với những loại thép chưa tôi, cấu trúc lớp bề
mặt không thay đổi. Khi mài thép đã tôi sẽ xảy ra cháy bề mặt mài nếu nhiệt
độ mài vượt quá AC3 và sau đó được làm nguội nhanh. Chiều sâu lớp bị cháy
có thể tới 0,2mm, độ cứng giảm nhiều và thường phát sinh vết nứt như trong
hình 1.2.

Hình 1.4. Cấu trúc tế vi pha Austennit của thép không gỉ AISI 304[3]
1.3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến ứng suất dư lớp bề mặt chi tiết gia
công
Quá trình chuyển biến về cấu trúc của lớp kim loại bề mặt mài do nhiệt cắt
cũng đồng thời làm xuất hiện ứng suất dư ở lớp kim loại bề mặt. Ứng suất dư
hình thành trong quá trình mài do 3 tác động sau:

19


- Sự co, giãn vì nhiệt.
- Sự biến đổi pha do nhiệt độ mài cao.
- Biến dạng dẻo gây ra do sự tác động qua lại của đá mài và phôi.
1.3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công
Độ nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi các vết cào xước chồng lên nhau
của các điểm cắt có chiều cao không bằng nhau (hình vẽ). Nhiệt độ ở vùng mài
càng cao thì vật liệu gia công ở lớp bề mặt càng biến dạng dẻo mạnh đồng thời
còn có thể gây cháy, nứt bề mặt: công nghệ tưới nguội, hệ số truyền nhiệt của
vật liệu gia công và của đá mài ảnh hưởng tới nhiệt độ ở vùng mài qua đó ảnh
hưởng tới độ nhám bề mặt mài.

Hình 1.5. Sự hình thành độ nhám bề mặt mài[4]
1.3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến mòn và tuổi bền của đá mài.
Tải trọng cơ, nhiệt tác động lên hạt mài là những yếu tố ảnh hưởng nhiều đến
mòn và tuổi bền của đá. Tăng Sd, vc, a làm tăng lực cắt, nhiệt cắt do đó đá mòn
nhanh cả ở dạng cơ học và hoá học. Tăng υc thì lực cắt giảm, nhiệt độ mài
tăng. Thực nghiệm cho thấy: tăng υc thì mới đầu tuổi bền tăng sau đó lại giảm
(tuỳ theo ảnh hưởng trội của yếu tố lực cắt hay nhiệt độ mài) [2]). Đã có nhiều
công thức thực nghiệm được xây dựng để xác định tuổi bền của đá mài. Sự
khác nhau nhiều giữa các công thức thực nghiệm cho thấy rằng không thể xây
dựng được một công thức tổng quát để tính tuổi bền của đá mài. Tuy nhiên,
nhiệt độ mài tăng lên cùng với độ mòn của đá.
1.3.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác chi tiết gia công.
20

Dung sai kích thước và hình dáng hình học chịu ảnh hưởng của biến dạng hệ
thống công nghệ, biến dạng nhiệt của máy và chi tiết gia công, mòn đá và rung
động. Để thoả mãn ràng buộc về độ chính xác gia công thường đòi hỏi phải
giảm tốc độ bóc vật liệu, do vậy giảm được nhiệt cắt trong vùng gia công. Đối
với các chi tiết dạng đĩa thì ảnh hưởng của nhiệt khi mài càng lớn.
1.4. Bôi trơn làm mát khi mài phẳng
1.4.1 Vai trò của sử dụng dung dịch trơn nguội khi mài
1.4.1.1. Tác dụng bôi trơn
Chức năng của dung dịch trơn nguội khi mài là giảm lực cắt và nâng cao
chất lượng bề mặt, làm giảm ma sát giữa đá mài và chi tiết gia công bằng cách
tạo một màng bôi trơn ổn định. Nhiệt phát sinh do biến dạng dẻo kim loại, do
ma sát giữa phoi và bề mặt dụng cụ. Tác dụng của dung dịch trơn nguội khi
mài được thể hiện trong những khía cạnh sau: Giảm ma sát giữa mặt sau của
phoi với mặt trước của dụng cụ cắt, giảm ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt
với bề mặt đang gia công. Do giảm ma sát ở mặt trước và mặt sau của dụng cụ
nên lượng mòn của dụng cụ giảm dẫn đến tuổi bền tăng. Các phần tử của dung
dịch trơn nguội bao quanh các phần tử của phoi làm cản trở sự dính, giúp phoi
thoát ra khỏi khu vực cắt dễ dàng. Ngoài ra tính bôi trơn của dung dịch trơn
nguội gắn liền với khả năng xâm nhập của dung dịch vào những vết nứt tế vi,
làm giảm lực liên kết giữa các nguyên tử khiến cho lớp kim loại dễ bị biến
dạng dẻo và quá trình cắt được dễ dàng hơn.
1.4.1.2. Tác dụng làm nguội
Chức năng của dung dịch trơn nguội làm mát vùng tiếp xúc và bề mặt
chi tiết gia công. Tác dụng làm nguội của dung dịch trơn nguội bao gồm: Tải
nhiệt ra khỏi vùng cắt dẫn đến giảm nhiệt độ trên đá mài và trên chi tiết gia
công. Đảm bảo nhiệt độ của môi trường thấp và ổn định. Giảm khả năng biến
dạng nhiệt của chi tiết trong quá trình gia công.

21

1.4.1.3. Tác dụng làm sạch thiết bị
Tác dụng làm sạch thiết bị của dung dịch trơn nguội bao gồm: Dòng dung
dịch trơn nguội đẩy các vụn kim loại ra khỏi thiết bị (sống trượt, khe hở ở
bàn máy,…) qua đó làm giảm quá trình mài mòn của thiết bị. Làm sạch bề
mặt đá mài, tăng hiệu quả cắt gọt cho đá. Nâng cao tác dụng bảo vệ bề mặt
chi tiết gia công, hạn chế rỉ sét. Tăng độ bền cho máy, chi tiết gia công và
giảm lượng bụi trong khu vực gia công.
1.4.2. Các loại dung dịch trơn nguội
Dung dịch trơn nguội được phân loại theo hai chỉ tiêu:
- Theo tác dụng chính của dung dịch có thể phân làm ba nhóm: Nhóm có tác
dụng làm lạnh (các dung dịch chất điện ly), nhóm có tác dụng làm lạnh và một
phần bôi trơn (dung dịch nước xà phòng, dung dịch emulsion), nhóm có tác
dụng bôi trơn và một phần làm lạnh (các chất dầu).
- Theo đặc tính sử dụng của dung dịch có thể phân làm ba nhóm: Dầu cắt gọt,
dầu hòa tan, dung dịch cắt gọt hóa học.
Trong thực tế sản xuất, người ta thường phân loại dung dịch trơn nguội
theo đặc tính sử dụng. Cụ thể như sau:
1.4.2.1. Dầu cắt gọt
Dầu cắt gọt được chia thành loại hoạt động và loại thụ động, các thuật
ngữ này xác định tính hoạt động của dầu hoặc khả năng tương tác với bề mặt
kim loại ở nhiệt độ làm việc để bảo vệ bề mặt và cải thiện tác động cắt.
1. Dầu cắt gọt hoạt động
Dầu cắt gọt hoạt động là loại làm sẫm màu, khi nhúng vào dầu trong ba
giờ ở nhiệt độ 2120F (1000C). Các loại dầu này nói chung được sử dụng khi gia
công thép, dầu có thể sẫm màu hoặc trong suốt. Các dầu sẫm mầu thường
chứa nhiều lưu huỳnh hơn loại trong suốt và thích hợp cho gia công thô.
2. Dầu cắt gọt thụ động
Dầu cắt gọt thụ động là loại dầu không làm sẫm màu dải đồng khi nhúng
trong dầu ở nhiệt độ 2120F (1000C) trong ba giờ. Lưu huỳnh trong dầu cắt gọt

22


thụ động là lưu huỳnh tự nhiên của dầu và không có giá trị hóa học trong chức
năng của dầu đó khi gia công. Các dung dịch là thụ động do lưu huỳnh được
gắn kết chặt chẽ với dầu được giải phóng rất ít để có thể tương tác với bề mặt
chi tiết trong quá trình cắt gọt.
1.4.2.2. Dầu hòa tan
Dung dịch trơn nguội hiệu quả phải có tính dẫn nhiệt cao, dầu khoáng và
dầu béo đều không phải là chất làm nguội tốt. Nước là môi trường làm nguội
tốt, tuy nhiên khi chỉ dùng nước làm dung dịch cắt gọt sẽ gây ra rỉ sét và có tác
dụng bôi trơn rất thấp. Bằng cách bổ xung vài phần trăm dầu hòa tan vào nước
có thể làm tăng tính chống rỉ sét và chất lượng bôi trơn cùng với khả năng làm
nguội của nước.
Các dầu nhũ hóa hoặc hòa tan là dầu khoáng chứa chất xà phòng hóa
(nhũ hóa) làm cho chúng hòa tan được vào nước, chúng được cung cấp ở dạng
đậm đặc có nồng độ cao. Khi gia công với chế độ cắt gọt nhẹ và khi cần làm
nguội là chính thì pha từ 1 đến 5 phần dầu đậm đặc với 100 phần nước, các
hỗn hợp đặc hơn được dùng khi yêu cầu bôi trơn và chống rỉ sét là cơ bản.
1.4.2.3. Dung dịch cắt gọt hóa học
Các dung dịch cắt gọt hóa học (đôi khi được gọi là dung dịch tổng hợp) đã
được sử dụng rộng rãi ngay sau khi được giới thiệu vào năm 1945. Chúng là
các nhũ ổn định được pha chế sẵn chứa rất ít dầu và dễ dàng hòa tan với nước.
Dung dịch cắt gọt hóa học phụ thuộc vào các tác nhân hóa học về tính bôi trơn
và giảm ma sát. Một số loại dung dịch cắt gọt hóa học có chứa các chất bôi
trơn áp suất rất cao (EP), tương tác với kim loại được gia công trong các điều
kiện nhiệt và áp suất tạo ra các chất bôi trơn rắn. Các dung dịch chứa chất bôi
trơn EP làm giảm cả áp suất và nhiệt giữa phoi và mặt dụng cụ cắt và giảm
nhiệt phát sinh do biến dạng dẻo kim loại. Các tác nhân hóa học có trong hầu
hết các loại dung dịch cắt gọt hóa học bao gồm: Amines và nitrites để ngăn

chặn sự rỉ sét. Nitrates để ổn định các nitrites. Phosphate và borate để làm
mềm nước. Xà bông và tác nhân thấm ướt để bôi trơn. Các hợp chất lưu
23


huỳnh, phốt pho và clo để bôi trơn hóa học. Glycol tác động như những tác
nhân pha trộn. Kết quả của các tác nhân hóa học bổ sung cho tính bôi trơn của
nước làm cho dung dịch cắt gọt hóa học có các ưu điểm sau đây: Chống rỉ sét
tốt. Chống xuống cấp trong thời gian dài. Giảm nhiệt phát sinh khi cắt gọt.
Khả năng làm nguội cao. Ổn định lâu hơn so với dầu hòa tan. Không cháy,
không sinh khói. Không độc hại. Dễ tách khỏi chi tiết và phoi. Lắng động
nhanh các phoi vụn để các phoi này không tuần hoàn trong hệ thống làm
nguội. Không làm tắc nghẽn hệ thống làm nguội.
1.4.3. Các phương pháp tưới nguội
1.4.3.1. Phương pháp gia công khô
Gia công khô được tiến hành bằng cách phun một dòng khí với áp suất
cao trực tiếp vào vùng cắt để giảm nhiệt cắt ở đá mài, chi tiết gia công và phoi.
Gia công khô hạn chế được ô nhiễm môi trường và giảm chi phí đối với sự tiêu
hao dung dịch trơn nguội. Tuy nhiên công nghệ gia công khô có những hạn
chế như sau: Gia công khô không thực hiện được việc bôi trơn và không làm
giảm được ma sát trong quá trình cắt. Khả năng tải nhiệt ra khỏi vùng cắt thấp
hơn, do đó nhiệt độ ở vùng cắt cao. Tuổi bền của đá mài thấp hơn so với các
trường hợp cùng điều kiện gia công khi sử dụng những biện pháp tưới nguội
khác. Dễ lùa những phoi có kích thước nhỏ (bụi kim loại) vào các khe hẹp của
bộ phận thiết bị. Các bụi kim loại này là tác nhân làm tăng tốc độ mài mòn của
các bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết chuyển động tương đối với nhau.
1.4.3.2. Phương pháp tưới tràn
Bôi trơn – làm nguội theo kiểu tưới tràn là phương pháp bơm dung dịch
từ bể chứa vào vùng cắt, sau đó dung dịch lại được thu hồi lọc sạch về bể
chứa. Phương pháp này tác động đến quá trình gia công bằng chức năng làm

nguội - bôi trơn - dội rửa.
Phương pháp bôi trơn – làm nguội theo kiểu tưới tràn có ưu điểm: Bảo
vệ đá mài, giảm tác dụng xấu của nhiệt cắt. Đảm bảo nhiệt độ của môi trường
24


làm việc thấp và ổn định. Tạo điều kiện vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ
dàng.
Khi sử dụng phương pháp tưới tràn, người ta thường bố trí trên máy mài
một vòi phun với một máy bơm áp suất thấp vào khoảng vài atmôtphe.
Phương pháp tưới tràn cải thiện được chất lượng bề mặt gia công và
nâng cao năng suất mài. Tuy nhiên phương pháp này tốn chi phí cho việc sản
xuất, tái chế và thải các chất bôi trơn – làm nguội, gây ô nhiễm môi trường,
ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động, lượng dung dịch tiêu hao lớn, chi phí
dọn thải lớn, tăng chi phí gia công.

Hình 1.6: Sơ đồ tưới nguội thông dụng trên máy mài[5].
1.4.3.3. Phương pháp dùng dòng không khí lạnh
Ô nhiễm môi trường là nhược điểm lớn nhất của các loại dung dịch
trơn nguội. Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về công nghệ sử dụng dòng khí
lạnh có áp suất cao phun vào vùng cắt để làm nguội. Phương pháp này chỉ có
tác dụng làm nguội mà không có tác dụng bôi trơn.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khi mài thép không gỉ AISI304 bằng
đá Al2O3 với phương pháp tưới tràn và phương pháp dùng dòng khí lạnh cho
thấy trong điều kiện mài như nhau thì phương pháp dùng dòng khí lạnh có:
nhiệt cắt thấp hơn khoảng 2000C, độ nhám bề mặt gia công giảm Ra nhỏ hơn
40%, tăng tuổi bền của đá mài, ứng suất dư bề mặt là ứng suất nén, tăng khả
năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt; giảm hiện tượng nứt bề mặt do
25