Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài gang xám trên máy mải phẳng

Lời cam đoan

Tác giải xin cam đoan các kết quả và các số liệu nêu trong luận văn
là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Trần Văn
Địch Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo
PGS.TS Hà Minh Hùng Viện nghiên cứu Cơ khí. Ngoài phần tài liệu
tham khảo đã liệt kê các số liệu và kết quả thu được là trung thực và chưa
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Huy Quang

1


Lời cảm ơn
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS. Trần Văn Địch Viện Cơ khí,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo PGS.TS Hà Minh Hùng Viện
nghiên cứu Cơ khí là người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đến
quá trình thực hiện hoàn chỉnh luận văn này.
Tác giả bày lòng cảm ơn tất cả các thầy, cô giáo đã giảng dạy trong
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo Viện Cơ Khí, Bộ mụn
Cụng nghệ chế tạo mỏy đã tạo điều kiện cho tác giả làm tốt luận văn tại Bộ
môn.
Tác giả gửi lời cảm ơn tới Xưởng thực hành CNC, Phũng Thớ nghiệm Đo
lường, Phũng thớ nghiệm Cơ lý và các bạn đồng nghiệp tại Trường Cao đẳng
Công Nghiệp Quốc Phòng đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo trong suốt quá trình thực
hiện luận văn này .
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai
sót tác giả rất mong nhận được sự đóng góp của các thày giáo,cô giáo, các nhà

khoa học, các bạn đồng nghiệp để đề tài được đưa vào sử dụng tốt hơn trong thực
tế.
Tác giả

Nguyễn Huy Quang

2


MỘT SỐ KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
B : Chiều rộng đá mài ( mm)
D : Đường kính đá mài ( mm)
E : Môđun đàn hồi ( N/mm2)
f : Diện tích ngang của vết cắt ( mm2)
h : Chiều dài cắt ( mm)
hm : Chiều dài cắt lớn nhất (mm)
HB, HRC : Độ cứng vật liệu
σb : Ứng suất của vật liệu
lc : Chiều dài tiếp xúc ( mm)
lk : Chiều dài đường cắt (mm)
l : Chiều dài cung tiếp xúc của đá mài với chi tiết (mm)
m : Tỷ lệ mài
Ne : Công suất (kW)
nđ : Tốc độ quay của đá mài ( vòng/phút)
Px : Lực cắt pháp tuyến tế vi (kG)
Py : Lực cắt pháp tuyến (kG)
Pz : Lực cắt tiếp tuyến (kG)
Qvl : Năng suất của quá trình gia công (mm3/phút)
Ra : Độ nhám bề mặt gia công (µm)
s : Lượng tiến dao dọc (mm/vòng)

t: Chiều sâu cắt (mm)
vđ : Vận tốc đá ( m/s)
vct : Vận tốc chi tiết (m/phút)
z : Số lượng hạt mài làm việc trong cung tiếp xúc
µ : Hệ số ma sát
r : Bán kính cong đỉnh hạt mài (µm)
ε : Góc ăn dao ( độ )
T : Tuổi bền của dụng cụ ( phút)
τc : Ứng suất cắt ( N/mm2)
HTK : Hành trình kép

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4

Sơ đồ mài phăng
Sơ đồ quan hệ các đặc điểm của quá trình mài
Hình dạng tế vi của một số loại vật liệu hạt mài
Hình dạng hạt mài kim cương với tỷ lệ chất phủ Nikel

Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7

Hình dạng tế vi của hạt mài Si3N4 phủ Nikel

Khẳ năng giữ hạt mài tốt hơn của hạt mài Si3N4
Sự biến đổi các cạnh cắt của hạt mài Si3N4, số lượng
các lưỡi cắt lớn của Si3N4 làm giảm lực cắt
Các hạt mài cacsbit vonphram được phủ bạc
Độ cứng tế vi và mô đun đàn hồi của một số loại vật
liệu
Ký hiệu đá mài cho đá mài ôxít nhôm và cacsbit silíc
Mài phẳng bằng mặt đầu đá
Mài với chiều sâu cắt lớn
Mài ăn dao chiều trịc cho một lần tiến với chiều sâu
cắt d
Hình dạng lớp cắt của hạt mài
Các kích thước lớp cắt khi mài phẳng
Biến đổi của chiều dài tiếp xúc đá mài vật mài
Sơ đồ biểu diễn vận tốc hướng kính vr và tiếp tuyến vθ
của đá mài
Hình dạng lớp cắt với hm = a
Hình dạng lớp cắt
Chiều dày phoi tương đương tc khi mài phẳng
Ảnh hưởng của hình học đá không đều đến chiều dày
cắt khi mài phẳng
Sự thay đổi ứng suất dư theo chiều sâu mài
Biên dạng bề mặt dọc lý tưởng khi mài
Biên dạng nhám lý tưởng qua hướng mài được tạo bởi
các biên dạng cắt liên tiếp của đá mài
Ảnh hưởng của hình học hạt mài đến nhánh bề mặt
Ảnh hưởng của độ hạt đến nhám bề mặt khi mài
Ảnh hưởng của loại vật liệu chất kết dính ( đường 1)
và vật liệu hạt mài ( đương 2,3) đến nhám bề mặt khi
mài

Ảnh hưởng di truyền của các yếu tố trước khi mài đến
độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công
Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t
Ảnh hưởng của lượng tiến dao tới nhám bề mặt
Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt khi

Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 1.18
Hình 1.19
Hình 1.20
Hình 1.21
Hình 1.22
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9

4

Trang
11
14
15
16
16
17
17
17
18
19
22
22
23
24
25
25
26
28
29
30
30
32
36
37
38
38

39
39
40
41
41


Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19
Hình 2.20
Hình 2.21
Hình 2.22
Hình 3.1.
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9

mài
Ảnh hưởng của lượng tiến dao dọc tới nhám bề mặt
Ảnh hưởng của số lần mài hết hoa lửa nguyên lý
Ảnh hưởng của số hành trình mài hết hoa lửa (
1,2,3,4 và 5 hành trình cắt) tới nhám bề mặt
Ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới nhám bề mặt chi tiết
mài sự thay đổi của nhám theo thời gian mài
Các dạng mòn đá mài
Sơ đồ sửa đá mài
Các vết xước gây ra bởi các hạt mài trong vùng mài
Các đường cong thực nghiệm chỉ ra sự giảm độ cao
của nhám bề mặt khi số vết cắt tăng đối với đá mài có
độ hạt khác nhau
Sơ đồ hình thành sóng trên bề mặt đá
Sơ đồ tạo ra sự không đồng nhất có quy luật của nhám
bề mặt chi tiết mài
Sự thay đổi chiều cao nhám của bề mặt đá mài được
mô tả trên các đỉnh sóng
Biểu diễn biên dạng nhám bề mặt đá mài được mô tả
trên các đỉnh sóng
Sự thay đổi nhám theo chế độ sửa đá
Mẫu gang xám dùng cho thí nghiệm
Máy đo độ cứng EX 206
Thí nghiệm đo độ cứng vật liệu gang xám
Máy mài phẳng dùng cho thí nghiệm
Mài mẫu thí nghiệm bằng vật liệu gang xám
Máy đo nhám TR 200
Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám chi tiết khi
mài phẳng
Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt chi tiết

khi mài phẳng
Ảnh hưởng của lượng tiến đá ngang đến nhám chi tiết
khi mài phẳng

5

42
43
33
45
47
49
52
53
55
55
56
57
63
68
69
69
70
70
71
73
74
75

DANH MỤC BẢNG BIỀU

Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5

Các giá trị của Racm đối với điều kiện mài khác nhau
Hệ số ăn mòn của các vật liệu mài
Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt chi
tiết khi mài phẳng
Ảnh hưởng của vận tốc tiến dọc bàn máy đến Ra chi
tiết khi mài phẳng
Ảnh hưởng của lượng tiến đá ngang đến Ra chi tiết
khi mài phẳng
Số liệu thực nghiệm được tổng hợp
Số liệu thực nghiệm sau khi biến đổi

6

Trang
47
49
72
74
75
76

77


MỞ ĐẦU
Mài là nguyên công rất cần thiết trong quy trình chế tạo cơ khí, cho phép
gia công nhiều loại bề mặt khác nhau, đạt độ chính xác cao và nó đã tồn tại từ rất
lâu trong lịch sử. Ngay từ thời tiền sử người nguyên thuỷ đã làm sắc công cụ bằng
cách chà sát mạnh chúng vào đá. Ngày nay, mài giữ một vai trò hết sức quan
trọng và chiếm khoảng 20 ÷ 25 % tổng chi phí cho gia công, đặc biệt là mài sắc
dụng cụ như: dao tiện, dao phay, mũi khoan,…
Để thực hiện được nguyên công mài nói chung, cần phải sử dụng đá mài
phù hợp với tính năng thiết bị (máy mài) và vật liệu gia công. Trong quá trình
mài, các hạt mài bị mòn hoặc bị tách ra khỏi bề mặt đá để lộ ra lớp hạt mài mới
có tính năng cắt gọt tốt hơn. Đây chính là khả năng tự mài sắc cuả đá mài. Tuy
nhiên, nếu số lượng hạt mài bị tách ra khỏi bề mặt đá càng lớn thì đá bị mòn càng
nhanh, điều đó làm giảm tính năng cắt gọt của đá và đặc biệt là gây ra sai số về
kích thước, độ sóng bề mặt gia công.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công mài, thông
thường người ta đánh giá thông qua tiêu chí độ nhám bề mặt.
Mài là phương pháp gia công cho độ bóng và chính xác cao. Một nguyên
nhân ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác, năng suất và giá thành mài là chế độ
cắt. Một trong những yếu tố mà các phương pháp gia công khác không thể đạt
được là nhám bề mặt chi tiết gia công, khi nhám bề mặt có thể đạt được từ 0,2 ÷
3,2 µm. Vì vậy nâng cao năng suất, chất lượng và độ ổn định của quá trình tiến
tới xác định chế độ tự động tối ưu cho các điều kiện gia công khác nhau là một
nhiệm vụ rất quan trọng hiện nay. Tuy vậy, mài là một quá trình rất phức tạp, nó
còn nhiều vấn đề để nghiên cứu. Các thông số chất lượng đặc trưng của quá trình
mài phụ thuộc vào các yếu tố như đặc tính đá mài, tính chất của vật liệu gia công,
chất bôi trơn làm mát, độ chính xác và độ cứng vững của máy, chế độ cắt và chế
độ sửa đá, …

7


Quan hệ của các thông số chất lượng của quá trình mài với các yếu tố ảnh
hưởng rất phức tạp, khó xác định và ảnh hưởng theo thời gian. Quy luật thay đổi
và tác động qua lại của chúng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện gia công và tình
trạng cụ thể của máy.Việc xây dựng một hệ thống các chỉ dẫn hoặc bảng biểu
dùng chung cho các loại máy mài, các phương pháp mài khác nhau là một việc
không thể thực hiện được trong điều kiện kỹ thuật hiện nay.
Để nâng cao hiệu quả của quá trình mài, hầu hết các nghiên cứu hiện nay
đều được tiến hành theo các bước cơ bản sau:
1. Tìm ra các loại vật liệu hạt mài mới có tính cắt gọt tốt, có độ cứng và độ
bền mòn cao.
2. Nâng cao chất lượng, hoàn thiện kết cấu của đá mài. Nghiên cứu chế
tạo các loại đá mài tốt hơn, chính xác và đồng đều về tính chất cơ lý.
3. Nâng cao vận tốc mài.
4. Điều khiển tối ưu quá trình mài.
Theo hướng thứ Nhất và thứ Hai, người ta tiến hành chế tạo các loại đá
mài từ vật liệu mới có độ bền mòn và khả năng chịu tải trọng cao. Nghiên cứu chế
tạo các loại đá có kết cấu đặc biệt, như đá mài có rãnh xoắn, đá mài gián đoạn, đá
mài có rãnh dẫn dung dịch trơn nguội hướng tâm, …
Theo hướng thứ Ba, tiến hành thiết kế chế tạo các máy mài cao và siêu cao
tốc (vận tốc mài Vđá>100m/s)
Theo hướng thứ Tư, người ta tiến hành điều khiển quá trình mài theo
nguyên tắc điều khiển tối ưu. Nghĩa là dựa vào mối quan hệ hàm được xác định
ngay trong quá trình gia công giữa các thông số đầu ra với các thông số đầu vào,
thực hiện điều chỉnh quá trình để đạt được các chỉ tiêu chất lượng và kinh tế kỹ
thuật cao nhất.
Một trong những chỉ tiêu rất quan trọng của chất lượng sản phẩm, đặc biệt

các chi tiết máy yêu cầu độ chính xác và độ bóng cao thì việc xác lập một mô

8


hình xác mối quan hệ giữa các thông số đầu ra của quá trình mài (nhám, sóng,
năng suất, giá thành,…) với các thông số đầu vào cho các điều kiện mài khác
nhau có một ý nghĩa vô cùng quan trọng, nó giúp nhà công nghệ chọn được một
chế độ cắt tối ưu, chọn cặp đá mài - vật liệu, chế độ sửa đá,… để từ đó nâng cao
năng suất, chính xác và độ bóng bề mặt chi tiết mài. Đồng thời nó là cơ sở để tiến
tới tối ưu hóa quá trình mài. Đề tài tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ
cắt đến nhám bề mặt khi mài phăng trong điều kiện cụ thể.
Học viên chọn đề tài luận văn cao học về vấn đề: “Nghiên cứu ảnh hưởng
của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài gang xám trên máy mài phẳng” là
cần thiết có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hiện nay ở Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu
Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt chi tiết khi mài
phẳng. Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm thích
ứng được tính khoa học và thực tiễn của đề tài. Trên cơ sở các mô hình lý thuyết
đưa ra của một số tác giả trên thế giới và trong nước, tiến hành thực nghiệm và
kiểm chứng. Từ các kết quả thực nghiệm đưa ra kết luận, đánh giá cho điều kiện
mài cụ thể, từ đó có thể áp dụng vào thực tiễn.
Kế thừa và phát triển kết quả nghiên cứu của một số tác giả trong và ngoai
nước. Cập nhật kiến thức mới, đặc biệt một số bài báo, sách trên mạng Internet.
Ứng dụng của đề tài
Thành công bước đầu của đề tài sẽ được áp dụng rất phù hợp để định hình
chọn chế độ cắt khi mài. Nó giúp nhà công nghệ chọn chế độ cắt tối ưu, giảm sai
số và tăng độ bóng bề mặt chi tiết gia công.
Dần làm sáng tỏ quá trình mài và tiến tới tối ưu hóa quá trình mài.
Giới hạn nghiên cứu của đề tài luận văn

Mài là một nguyên công trong quy trình công nghệ chế tạo cơ khí phức
tạp, có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng gia công, trong đó có độ nhám

9


bề mặt và chưa được nghiên cứu đầy đủ, ví dụ như:
- Chế độ cắt.
- Vật liệu gia công và tính chất cơ lý của nó.
- Hình dạng hình học của đá mài.
- Dung dịch tưới nguội.
- Sửa đá và chế độ sửa đá.
- Hình thái ban đầu trên bề mặt của chi tiết mài, …
Nội dung đề tài luận văn sẽ là cơ sở để tiến tới tối ưu hóa quá trình mài.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài Luận văn Cao học này chỉ giới hạn
tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của 3 yếu tố công nghệ chính là:
1) Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt t;
2) Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt vct;
3) Ảnh hưởng của lượng tiến đá đến nhám bề mặt sng
đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công ở dạng phẳng, với điều kiện biên khi
coi ảnh hưởng của các yếu tố khác là hằng số.
Như ta đã biết, để có một kết quả chính xác cao trong nghiên cứu thực
nghiệm, cần thiết phải tiến hành ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố và mất nhiều thời
gian, cần rất nhiều trang thiết bị. Với thời gian hạn chế và khuôn khổ của một luận
văn Thạc sĩ hạn hẹp nên có thể còn nhiều khiếm khuyết, học viên xin được các thầy
góp ý kiến để hoàn thiện kết quả nghiên cứu của mình. Đồng thời có được định
hướng nghiên cứu phát triển luận văn ở mức cao hơn trong tương lai.

10

Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG

1.1. Đặc điểm cơ bản của quá trình mài
Mài là phương pháp gia công kim loại bằng cắt gọt, sử dụng dụng cụ cắt là
đá mài. Quá trình mài thực chất là quá trình được thực hiện bởi vô số hạt mài rất
cứng và chống mòn tốt, chúng được gắn cưỡng bức với nhau bởi chất kết dính
cắt đi lớp lượng dư rất nhỏ trên bề mặt vật gia công. Mỗi hạt mài (gồm nhiều lưỡi
cắt có góc độ khác nhau) lấy đi lượng kim loại rất nhỏ khoảng vài micron. Để tạo
thành bề mặt gia công, mỗi quá trình mài có hàng nghìn hạt mài tham gia cắt gọt
đồng thời và hàng triệu dao liên tiếp.
Để thực hiện quá trình (hình 1.1) đá mài và chi tiết phải có các chuyển
động cần thiết. Khi mài phẳng, đá chuyển động quay tròn theo chiều mũi tên 2,
chi tiết chuyển động tịnh tiến theo chiều mũi tên 4, các hạt mài 7 được gắn cưỡng
bức lên bề mặt đá bởi chất kết dính 6. Giữa chất kết dính và các hạt mài là các
khe hở 5 (gọi là các khoảng trống).

Hình 1.1. Sơ đồ mài phẳng [6]: 1) Mặt đầu đá ; 2) Chiều quay đá; 3) Mặt trụ
đá; 4) Hướng dịch chuyển; 5) Khoảng trống; 6) Chất kết dính; 7) Hạt mài
Mài là phương pháp gia công tinh phổ biến ở nguyên công cuối cùng của
một quá trình công nghệ gia công bằng phương pháp mài có ưu điểm là có thể cắt

11


được chiều sâu cắt rất nhỏ, với vận tốc cắt khá cao, điều chỉnh, gá đặt chi tiết đơn
giản, không tốn nhiều thời gian và thay đổi chế độ cắt ngay trong quá trình gia
công. Thường chiều sâu cắt từ 0,005÷0,09 mm độ bóng và độ chính xác rất cao
(từ cấp 7÷9, nhám bề mặt từ 0,2÷3,2µm).

Rõ ràng là không có phương pháp gia công nào có thể so sánh được với
mài về độ bóng và độ chính xác gia công. Ví dụ, khi gia công các lát silíc trong
công nghệ vi điện tử, khi đó người ta dùng các đĩa mài hoặc cưa cực mỏng (chỉ
dầy khoảng 20µm). Ngoài ra mài còn được sử dụng để gia công thô, bạt mấu
phôi trong các phân xưởng tạo phôi, cắt đứt, làm sạch các thỏi thép trong các
xưởng đúc và trong các nhà máy thép với tốc độ khoảng 1600 cm3/ph, … nhờ có
tốc độ cắt rất cao và có thể cắt đi lớp vỏ cứng của bề mặt phôi. Tốc độ cao cũng
là một trong những đặc điểm nổi bật của mài, tốc độ mài thường từ 30÷50 m/s
(từ 1800÷3000 v/p), với mài cao tốc vận tốc cắt khoảng 100 m/s hoặc cao hơn.
Vận tốc này lớn hơn từ 10÷60 lần so với vận tốc cắt khi tiện, thời gian mài diễn
ra rất nhanh (khoảng 10-4 ÷ 10-5 s). Nhờ có tốc độ cắt cao mà động năng của các
hạt mài đủ lớn để không bị tách ra khỏi bề mặt đá mài trong quá trình tách phoi.
Tuy nhiên tốc độ cắt cao công với các góc mài không hợp lý (các hạt mài có hình
dáng bất kỳ và có góc cắt không hợp lý: góc cắt lớn và góc trước âm) nên nhiệt
cắt sinh ra trong quá trình mài rât lớn (1000 ÷ 15000c), làm biến dạng cấu trúc
mạng tinh thể và biến đổi các tính chất cơ lý lớp vật liệu bề mặt. Khi mài thường
gây ra các khuyết tật như: Cháy mài, thoát các bon, nứt tế vi, ứng suất dư (ứng
suất dư khi mài là ứng suất dư kéo). Giá thành mài cao điều đó cũng là các trở
ngại làm hạn chế khả năng công nghệ của mài.
Khi gia công các loại vật liệu có độ cứng cao và giòn, không thể hoặc rất
khó gia công bằng các phương pháp khác. Mài có thể dùng để gia công thép tôi
hoặc thép đã hoá cứng như dụng cụ cắt, ổ bi, …
Mặc dù đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp nhưng mài vẫn có
nhiều hạn chế. Mài tinh thường đắt hơn so với các phương pháp gia công khác
tính theo thể tích vật liệu bị cắt đi, do đó chỉ được dùng trong các trường hợp cần

12


thiết. Dĩ nhiên chiều dầy gia công càng ngày càng giảm do sự phát triển của các

phương pháp đúc và tạo phôi khác, mài trở nên càng kinh tế với tư cách là
phương pháp gia công trực tiếp đạt kích thước danh nghĩa mà không cần qua các
phương pháp gia công khác như tiện, phay.
Thời gian giữa 2 lần sửa đá được gọi là tuổi bền đá mài, tuổi bền đá mài là
một thông số rất quan trọng, quyết định đến năng suất, chất lượng và giá thành
mài. Khi đá mài bị mòn không còn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của chi
tiết ta phải sửa lại đá. Sửa đá là việc hớt bỏ đi lớp hạt mài đẫ mất tính năng cắt
gọt hoặc chúng không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật (đặc biệt là độ sóng bề mặt)
khi gia công để lộ ra lớp hạt mài mới có tính năng cắt gọt tốt hơn, đảm bảo các
yêu cầu của chi tiết. Dụng cụ sửa đá mài có thể là bút sửa kim cương, con lăn
kim cương. Trong khuôn khổ luận văn này không đề cập sâu đến vấn đề sửa đá.
Tóm lại, mài là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các
yếu tố lại có sự tác động tương hỗ lẫn nhau, điều đó được mô tả trong (hình 1.3).
Trong các đại lượng của quá trình mài rất phức tạp, các yếu tố có thể ảnh
hưởng tác động lẫn nhau hoặc tác động song song. Trong tất cả các phương pháp
gia công phổ biến, mài là phương pháp còn nhiều vấn đề phải nghiên cứu. Do khi
mài vô số các vị trí cùng được gia công, hình dạng hình học không giống nhau,
tốc độ cắt cao và chiều sâu cắt nhỏ, các yếu tổ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt
phức tạp, khó xác định và không ổn định theo thời gian, trong khi đó quy luật
thay đổi và tác động qua lại của chúng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện gia công
và tình trạng cụ thể của máy.
1.2. Đặc tính kỹ thuật của đá mài
1.2.1. Kết cấu và cấu trúc của đá mài
Kết cấu của đá mài gồm: các hạt mài (lưỡi cắt), chất kết dính (tạo độ bền
cho đá) và khoảng trống (hay xốp) nhằm tạo ra độ xốp cần thiết và sự luân
chuyển phoi cho đá).
Vật liệu hạt mài đóng vai trò của các lưỡi cắt, có nhiều loại với cơ tính và
cấu trúc tế vi khác nhau (hình 1.3; 1.4; 1.5; 1.6).

13

Bề mặt đá mài sau khi được phủ được chỉ ra ở (hình 1.6), các hạt khi đó
được giữ tốt nhất bởi các chất kết dính. Chất kết dính sử dụng để liên kết các hạt
mài và tạo ra độ bền của đá.
Thông số vào

Các đại lượng xuất hiện trong
quá trình mài

Kết quả thu
được (thông
số ra)

1. Sự phối hợp của cặp
Đá - Phôi
Lực
tạo phôi

2. Đá mài:
- Vật liệu hạt mài
- Vật liệu kết dính
- Độ cứng của đá
- Độ rỗng của đá

1. Giá thành
2. Năng suất

3. Phôi:
- Vật liệu phôi

- Hình dạng, kích thước
của Phôi

Nhiệt cắt

3. Chất lượng

4. Quá trình sửa đá:
- Dụng cụ sửa đá
- Chế độ sửa đá

Trạng thái
mòn

5. Thông số cắt khi mài
6. Máy mài
Rung động

7. Công nghệ trơn nguội
- Thành phần hoá học
- Lưu lượng
- Áp lực

Hình 1.2: Sơ đồ quan hệ các đặc điểm của quá trình mài
Khoảng trống (xốp) - khe hở giữa các hạt mài và chất kết dính có chức
năng tạo ra độ xốp cho đá và tạo ra quá trình dịch chuyển phoi khi cắt.
Đá mài có các đặc điểm riêng biệt rất khác nhau tuỳ theo sự kết hợp của 3
yếu tố: hạt mài, chất kết dính, khoảng trống (xốp) và được xác định theo 6 thông số
như : 1)- Loại vật liệu hạt mài; 2)- Kích thước hạt mài; 3)- Độ cứng của hạt mài; 4)Cấu trúc của hạt mài; 5)- Chất dính kết; 6) - Các yếu tố khác (hình 1.12) [6].

14


Việc chọn đá mài phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố chẳng hạn như loại vật
liệu gia công, cơ tính của từng loại vật liệu (hình 1.3 a, b).

a)

b)
Hình 1.3. Hình dạng tế vi của một số loại vật liệu hạt mài [2]

15


Hình 1.4. Hình dạng hạt mài kim cương với tỷ lệ chất phủ Nikel khác nhau [2]

Hình 1.5. Hình dạng tế vi của hạt mài Si3N4 phủ niken [2]

Hình 1.6. Khả năng giữ hạt mài tốt hơn của hạt mài Si3N4 được phủ niken (b)
so với hạt mài không được phủ (a) [2]

16


Hình 1.7. Sự biến đổi các cạnh cắt của hạt mài Si3N4, số lượng các lưỡi cắt
lớn của Si3N4 làm giảm lực cắt [2]

Hình 1.8. Các hạt mài cácbít vônphram được phủ bạc [2]

Hình 1.9. Độ cứng tế vi và mô đun đàn hồi của một số loại vật liệu [2]

17


1.2.2. Đặc tính của đá mài
Có nhiều loại đá mài khác nhau được phân loại bằng các ký tự lấy theo quy
ước tùy theo tiêu chuẩn riêng của mỗi nước (đặc trưng cho thành phần vật liệu,
độ hạt, độ cứng, độ xốp), dựa trên các đặc tính kỹ thuật của đá. Ví dụ như đối với
đá mài có chứa ôxít nhôm và các-bít silic cho trên (hình 1.10). Chỉ số cấu trúc
được tính theo công thức kinh nghiệm [2]:
Vg (%) = 2.(32 – S)
trong đó:

(1.1)

Vg – Tỷ lệ % theo thể tích; S – Chỉ số cấu trúc

Vật liệu dính kết đối với hầu hết đá mài đều thường dùng chất dính kết
thuỷ tinh, kim loại hoặc nhựa tổng hợp, ví dụ như: “V - Virrified” cho biết đá
mài đó dùng chất dính kết thuỷ tinh, chất dính kết cáo su (rất phổ biến trước kia)
được biểu thị bằng chữ R - Rubber, B - Bakelite, M - Metal, E - đối với nhựa
Shellac… Hai loại vật liệu là silicát - S, và ôxiclorua - O.

18


Hình 1.10. Ký hiệu đá mài cho đá mài ô xít nhôm và cácbít silíc [2]
1.2.3. Vật liệu hạt mài

19

Vật liệu hạt mài được chế tạo từ những quặng như ôxít nhôm (Al203), kim
cương nhân tạo và các vật liệu siêu cứng như các bít silíc, các bít bo được thiêu
kết trong lò điện ở nhiệt độ cao rồi nghiền mịn thành hạt mài, bột mài, phấn mài
có kích thước hạt khác nhau và nhỏ đến nức 1÷2 µm để gia công các chi tiết có
độ chính xác cao.
- Ôxít nhôm thông thường: có khoảng 89 ÷ 95% Al203 có mầu nâu xám
đến hung đỏ,dùng để mài các vật liệu dẻo và bền như thép đã qua tôi, thép đúc,
thép cán, trừ thép gió đã tôi.
- Ôxít nhôm trắng: có khoảng 96 ÷ 99% Al203 có mầu hồng đến trắng,
cứng và giòn hơn loại thường. Tính cắt gọt tốt hơn dùng khi yêu cầu gia công đạt
độ nhẵn cao, hệ số sinh nhiệt thấp, gia công thép gió, thép dụng cụ.
- Silicon Carbide: thích hợp cho các vật liệu mài có độ bền kéo thấp
(nhôm, đồng thau, đồng thanh) và các vật liệu có tỉ trọng cao như carbide thiêu
kêt, đá và sứ, dùng cho gia công gang và hầu hết các kim loại màu có độ cứng
cao, gốm kim loại và phi kim loại.
- Silíc Zr-Al: chứa khoảng 40% Zr, có ít tạp chất, có độ cứng và độ bền cao,
chịu va đập tốt, tuổi tho cao, đặc biệt có khả năng duy trì cạnh sắc và khả năng
cắt gọt ở nhiệt độ và áp suất cao, khả năng bóc vật liệu tốt dùng để gia công hợp
kim cứng và các vật liệu siêu cứng.
- Boron cacbit: Có độ cứng cao hơn Silicon Carbide và gần bằng kim
cương, tuy nhiên không thích hợp để làm đá mài mà chỉ dùng làm bột mài thay
thế tương đối rẻ cho kim cương.
- El-Bo (nitơrit bo lập phương): hạt mài tổng hợp có độ cứng nằm giữa
silicon carbide và kim cương tinh thể, thường được gọi là barazon CBN, có khả
năng mài thép dễ dàng, chính xác và tốt hơn kim cương trong nhiều ứng dụng.
El-Bo có độ cứng gần gấp đôi ôxít nhôm và có thể chịu được nhiệt độ mài đến
13710c trước khi vỡ vụn. El-Bo dùng để cắt nguội và chịu được hoá chất với tất
cả các muối vô cơ và hợp chất hữu cơ. Do độ cứng rất cao nên đá mài làm từ vật

liệu El-Bo có khả năng duy trì các dung sai nhỏ, ít chỉnh sửa đá và lấy đi lượng
vật liệu đều đặn qua bề mặt chi tiết lớn mà không cần bù lại lượng mòn.

20


- Kim cương nhân tạo; độ cứng cao hơn các loại vật liệu khác rất nhiều,
tính năng cắt gọt tốt, độ dẫn điện gấp 9 lần so với các bít silic Cacbua. Khi mài
bằng đá mài kim cương, nhiệt độ mài thấp, chất lượng bề mặt tốt. Các đá mài
kim cương có thể được tráng phủ một lớp mỏng niken hoặc đồng để tăng khả
năng liên kết và tăng tuổi thọ sử dụng.
- Ôxít nhôm sứ.
1.2.4. Chất kết dính đá mài
Các hạt mài được liên kết với nhau nhờ chất kết dính để tạo ra độ xốp và
độ bền cho đá mài bằng các vật liệu như: thuỷ tinh hoá; nhựa dẻo; cao su; silicát;
chất kết dính shellac.
1.3. Khái quát về phương pháp mài phẳng
Mài phẳng được thực hiện theo hai phương pháp: 1) Bằng mặt đầu đá , sơ
đồ nguyên lý cho trên (hình 1.11) (năng suất bóc phoi lớn, vì số lượng hạt mài
tham gia cắt đồng thời lớn, nhiệt cắt lớn, dễ gây ra các vết cháy, nứt tế vi và biến
dạng nhiệt trên vật mài); 2) Bằng đá mài hình trụ (diện tích tiếp xúc giữa đá và
phôi nhỏ, số lượng hạt mài tham gia cắt gọt đồng thời trong quá trình cắt gọt nhỏ,
nhiệt trên bề mặt tiếp xúc giữa đá và phôi nhỏ, do đó độ chính xác gia công cao
hơn phương pháp mài bằng mặt đầu của đá).
Trong trường hợp thứ 2: vận tốc đá mài thường từ 20 ÷ 40 m/s trên các
máy mài thông thường và có thể lên tới 200m/s trên các máy mài cao tốc. Chi tiết
gia công được gá trên bàn gá hoặc bàn từ và chuyển động tịnh tiến khứ hồi trong
quá trình mài để gia công hết chiều dài chi tiết gia công. Vận tốc chuyển động
của chi tiết khoảng từ 3 ÷ 45 m/ph.
Trong quá trình gia công, vận tốc dịch chuyển ụ đá có thể thay đổi vô cấp

từ 2 ÷ 40 mm/HTK tuỳ theo loại máy, cần sử dụng dung dịch tưới nguội cấp liên
tục vào vùng cắt để làm nguội chi tiết, đẩy phoi và các phế thải ra ngoài, tạo điều
kiện cho quá trình mài được dễ dàng, giảm ứng suất dư kéo, biến dạng nhiệt, các
vết nứt tế vi cũng như các vết xước do các phế thải chà sát vào bề mặt gia công.

21


Phương pháp ăn dao nhiều lần (áp dụng với các chi tiết mài có chiều sâu
cắt nhỏ): chiều sâu cắt cho mỗi lần chạy dao nhỏ nhưng lượng chạy dao ngang
lớn, nó cho phép giảm tối đa các ảnh hưởng của nhiệt cắt, do đó thường sử dụng
cho gia công tinh cũng như các chi tiết mỏng.
Sơ đồ nguyên lý mài phẳng bằng đá mài hình trụ có thể tiến hành theo hai cách:

Hình 1.11. Mài phẳng bằng mặt đầu đá

Hình 1.12. Mài với chiều sâu cắt lớn

22


Mài với chiều sâu lớn (hình 1.12): toàn bộ chiều sâu cắt được bóc đi một
lần, hai lần chạy dao thẳng đứng. Các hạt mài nằm ở phía cạnh đá chịu tải trọng
lớn, do đó chúng bị mòn và bong tróc nhiều hơn, đá bị tang trống và giảm độ
chính xác gia công nên sử dụng gia công thô các chi tiết từ gang đúc và thép
chưa nhiệt luyện, khi yêu cầu tốc độ bóc phoi lớn.
Mài dọc trục phức tạp hơn so với mài ăn sâu vì chiều sâu cắt của đá mài
phụ thuộc vào lượng ăn dao hướng kính d mà còn phụ thuộc vào góc nghiêng của
bề mặt cắt trên mặt đá mài. (hình 1.13) mô tả một đá mài với góc ngiêng của bề
mặt cắt. Lượng tiến dao chiều trục b và chiều sâu cắt là d. Đương nhiên chiều sâu

cắt của đá mài (de) và chiều rộng cắt (be) là:
de = b sin α ; be = d cos α

(1.2)

be . de = b. d

(1.3)

Hình 1.13. Mài ăn dao chiều trục cho một lần tiến (b) với chiều sâu cắt d
Trên thực tế, còn phức tạp hơn nhiều ở các điểm A và điểm B. Vấn đề
phức tạp này của mài hướng dọc đã được nghiên cứu. Khi còn trêm (hình 1.13)
(bề mặt cuối cùng không có đánh lửa, mài với giảm dần của d). Các đặc trưng
gồm be/ b là khoảng 4 và chiều rộng đá mài thực tế cho một lần ăn dao là vào
khoảng 8 lần ăn dao chiều. Cho đá mài ăn dao ngang vào khoảng 16 lần ăn dao
chiều trục sẽ tạo được sản phẩm tốt. Khi chiều rộng của phần phẳng f nhỏ hơn 2
hoặc 3 lần ăn dao ngang b, thì độ nhám của bề mặt sẽ cao và như vậy đá mài ít
phải sửa đá.

23


Năng lượng mài đặc trưng phụ thuộc vào chiêu sâu phoi trung bình (t) và
nó lại phụ thuộc vào chiều sâu cắt de nhưng lại độc lập với be. Để năng lượng mài
đặc trưng nhỏ, de cần phải lớn, nghĩa là b phải lớn và điều đó dẫn đến phải chọn
α lớn. Khi nhám bề mặt cao thì chiều sâu cắt phải nhỏ, điều này dẫn đến b có giá

trị nhỏ và đá mài phải có giá trị α nhỏ.
Ăn dao dọc cho độ bóng bề mặt tốt, phoi nhỏ và năng lượng mài đặc trưng
nhỏ. Đó chính là điều rất quan trọng cho nguyên công mài tinh.

1.4. Cơ sở lý thuyết về hình học và động thái quá trình mài
Nội dung của đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đền độ hiểu rõ
bản chất của nhám bề mặt, cấu trúc, cơ chế hình thành của nó. Nguyên lý cơ bản
cho trên (hình 1.14).

Hình 1.14. Hình dạng lớp cắt của hạt mài [6]
1.4.1. Khái niệm về chiều dài tiếp xúc giữa đá mài và phôi
Trên hình 1.15 mô tả hình học khi mài phẳng, đá mài có đường kính ds
quay với vận tốc Vs (vận tốc tiếp tuyến tại đường kính đá) cắt với chiều sâu cắt a,
chuyển động tịnh tiến với vận tốc Vw. Mài phẳng chiều sâu cắt cỡ 10 ÷ 15 µm.
Vận tốc khi mài là 30 m/s, tuy nhiên trong một số trường hợp vận tốc mài tới 120
m/s, vận tốc chi tiết nhỏ hơn vận tốc đá mài rất nhiều, tỷ số Vs/Vw nằm trong
khoảng 100 ÷ 120 khi mài phẳng [6].

24


Chiều dài cung tiếp xúc lc trên hình 1.18 là chiều dài từ a đến c. Bỏ qua
biến dạng của đá mài và phôi, chiều dài cung tiếp xúc được tính như sau:
lc = AB =
⎛
⎝

ds
2

θ = cos-1 ⎜1 −

(1.4)
2a ⎞

⎟
ds ⎠

(1.5)

Do 2a < ds, θ rất nhỏ do đó: cosθ = 1 −

θ2
2

Kết hợp biểu thức trên ta có: lc = (ads)1/2

(1.6)
(1.7)

Từ biểu thức ta thấy chiều dài cung tiếp xúc bằng chiều dài dây cung AB khi
bỏ qua dịch chuyển và biến dạng, lc gọi là chiều dài tiếp xúc tĩnh

Hình 1.15. Các kích thước lớp cắt khi mài phẳng

25