Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng vật liệu gang xám 21 40

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN
ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG VẬT LIỆU
GANG XÁM 21-40

BÙI KIM DƯƠNG

Hà Nội, 2010


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn
Một số ký hiệu của các đại lượng dùng trong luân văn
Danh mục hình vẽ
Danh mục bảng biểu
Mở đầu
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG
1.1. Mài và các đặc điểm điểm cơ bản
1.2. Đá mài và các thông số cơ bản
1.2.1. Kết cấu và cấu trúc của đá mài
1.2.2. Phương pháp biểu diễn đá mài
1.2.3. Vật liệu hạt mài
1.2.4. Chất kết dính đá mài
1.3. Các sơ đồ mài phẳng

1.4. Hình học và động học quá trình mài
1.4.1 Chiều dài tiếp xúc giữa đá mài với phôi
1.4.2. Đường cắt
1.4.3. Chiều dày cắt lớn nhất
1.4.4. Chiều dày và thể tích lớp cắt kim loại
1.5. Ứng suất dư khi mài phẳng
1.6. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Kết luận Chương 1
Chương 2. NGHIÊN CỨU ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI
MÀI PHẲNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM
2.1. Các thông số đặc trưng cho chất lượng của quá trình mài
2.1.1. Độ chính xác khi mài
2.1.2.Chất lượng bề mặt vật mài khi mài phẳng
2.2. Động học hình thành nhám bề mặt khi mài phẳng
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt khi mài phẳng
2.3.1. Ảnh hưởng của đặc tính đá mài
2.3.2. Ảnh hưởng di truyền của các yếu tố trước khi mài đến nhám bề
mặt sau gia công
2.3.3. Ảnh hưởng của chế độ cắt
2.3.4. Ảnh hưởng của thời gian mài đến hoa lửa
2.3.5. Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến nhám bề mặt

2

1
5
5
7
7
12

14
15
15
18
18
20
21
23
25
26
27
28
28
28
29
29
31
31
33
34
37
38


2.3.6. Quy luật suy giảm chiều cao nhám theo thời gian mài
2.3.7. Ảnh hưởng của mòn đá mài đến nhám bề mặt
2.3.8. Ảnh hưởng của động học mài đến nhám bề mặt
2.4. Nghiên cứu các mô hình cơ bản xác định độ nhám bề mặt
2.4.1. Mô hình nhám bề mặt mài lý tưởng của S.Malkin
2.4.2. Mô hình nhám bề mặt chi tiết thực nghiệm của S.Malkin

2.4.3. Mô hình biểu diễn độ nhám bề mặt của Lyre S.Malkin
2.5. Đề xuất mô hình thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt
đến nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng
2.5.1. Các điều kiện giới hạn của mô hình
2.5.2. Thiết lập mô hình xác định nhám bề mặt
Kết luận Chương 2
Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA
CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG
3.1. Sơ đồ nghiên cứu chung
3.2. Trình tự thí nghiệm
3.2.1. Thí nghiệm ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt chi tiết
3.2.2. Thí nghiệm ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt
3.2.3. Thí nghiệm ảnh hưởng của lượng tiến đá ngang đến nhám bề mặt
3.3. Trang thiết bị thí nghiệm
3.3.1. Mẫu thí nghiệm
3.3.2. Máy đo độ cứng
3.3.3. Máy mài phẳng
3.3.4. Đá mài
3.3.5. Máy đo nhám bề mặt
3.4. Kết quả thực nghiệm
3.4.1. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt
3.4.2. Ảnh hưởng của vân tốc chi tiết đến nhám bề mặt
3.4.3. Ảnh hưởng của lượng tiến đá ngang đến nhám bề mặt
Kết luận Chương 3
Kết luận chung của luận văn
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

3

39
40
45
50
51
54
55
56
56
57
58
59
59
59
59
59
60
60
60
60
61
62
62
63
66
67
68
70
71
73

74


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 dày cắt (mm)

hm:

Chiều dày cắt lớn nhất (mm)

HB, HRC: Độ cứng của 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:

Tỉ lệ mài

Ne:

Công suất (kW)

nđ:

Tốc độ quay của đá (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

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
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

Sơ đồ mài phẳng
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 khác nhau
Hình dạng tế vi của hạt mài Si3N4 phủ niken
Khả 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 cácbít vônphram 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 ô xít nhôm và cácbít silíc
Mài phẳng bằng mặt đầu đá
Mài với chiều sâu cắt lớn
Mài ăn dao chiều trục 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 te 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 các 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 (đường 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

5

Trang
5
8
9
10
10
11
11
11
12
13
16
16
17
18
19
19

20
22
23
24
25
26
30
31
32
32
33
33
34
35


Hình 2.9
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
Hình 3.6

Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt khi 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 ở đỉnh sóng
Biểu đồ biên dạng nhám bề mặt đá mài được mô tả trên các đỉnh sóng
Sự thay đổi nhám theo chế độ sửa đá
Máy đo độ cứng HR-522 của hãng Mitoyo-Nhật Bản

Máy mài phẳng và đá mài dùng cho thí nghiệm
Máy đo nhám Surftrst SJ-301 của hãng Mitutoyo
Xác định độ cứng vật liệu gia công trước khi mài
Mài mẫu thí nghiệm bằng vật liệu gang xám 21-40
Thí nghiệm đo độ nhám mẫu vật liệu gang xám 21-40 sau khi mài
In kết quả thí nghiệm đo độ nhám bề mặt mẫu vật liệu
gang xán 21-40.
Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt 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 bề mặt chi
tiết khi mài phẳng

6

35
36
37
37
38
41
43
46
47
49
49
49
50
55
61
61

62
63
63
64
65
66
67
68


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các giá trị của Racm đối với điều kiện mài khác nhau
Bảng 2.2. Hệ số mòn của các loại vật liệu mài
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt chi tiết khi
mài phẳng.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của vận tốc tiến dọc bàn máy đến Ra chi tiết khi
mài phẳng
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của lượng tiến đá ngang đến Ra bề mặt chi tiết
khi mài phẳng.
Bảng 3.4. Số liệu thực nghiệm được tổng hợp
Bảng 3.5. Số liệu thực nghiệm sau khi đổi biến

7

Trang
40
42
66
67

68
69
69


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luân văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.

Tác giả luân văn

Bùi Kim Dương

8


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên cho tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến các
thầy giáo, PGS.TS Hà Minh Hùng và GS.TS Trần Văn Địch đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến các thầy, cô giáo và các cộng sự đã tạo
điều kiện thuận lợi cho việc hoàn thành các thực nghiệm.
Tôi xin lời cảm ơn chân thành đến ban chủ nhiệm, Hội đồng khoa học, các
thầy cô giáo trong bộ môn Công nghệ chế tạo máy Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội, Khoa Cơ khí Trường Trung cấp nghề cơ khí I Hà Nội, Công ty 17 Quân
đội và Công ty cổ phần Xích Líp Đông Anh đã tạo cho tôi sự đóng góp quý báu
vào việc thiết thực.

Tác giả

Bùi Kim Dương

9


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, …
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

10


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
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

11


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 nhám bề mặt khi 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 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.

12


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.
4) 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.

13


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
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

14

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
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

15


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).
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.

16


Thông số đầu vào

Các đại lượng xuất hiện
trong quá trình mài

Kết quả thu
được (Ra)

1.Sự phối hợp của cặp đá
mài và phôi
2. Đặc tính đá mài (vật liệu

Lực tạo
phôi

hạt mài; vật liệu kết dính;
độ cứng; độ hạt; độ rỗng
(xốp) của đá mài)
3. Đặc tính phôi gia công

Nhiệt cắt

1. Giá thành.

(cơ lý hóa tính vật liệu;
2. Năng suất.

kích thước và hình dạng
phôi)
Trạng
thái mòn

4. Dụng cụ sửa đá và chế
độ sửa đá.

3. Chất
lượng.

5. Chế độ mài (thông số cắt
khi mài)

Rung
động

6. Tính năng kỹ thuật của
máy mài
7. Chế độ bôi trơn làm
nguội (lưu lượng, áp lực),
thành phần hóa học chất
bôi trơn

Hình 1.2. Sơ đồ quan hệ các đặc điểm của quá trình mài [6]
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].

17


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]

18


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]

19


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]

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]

20


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

21

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

22


1.2.3. Vật liệu hạt mài
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

23


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.
- 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.

24


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

25