Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới lực cắt khi mài thép c45 thường hóa

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

NGÔ TRỌNG NỘI

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ SỬA ĐÁ TỚI
LỰC CẮT KHI MÀI THÉP C45 THƯỜNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
NGUYỄN TRỌNG BÌNH

HÀ NỘI – 2010


1
CÁC KÝ HIỆU CHÍNH
Ký hiệu
az
a’z
B
Cct
D
h
ha
L

l
Nd
nct
P
Pz
Py
Px
Sd
Sn
Svg
Ssd
Ra
Rz
tsd
λ
vc
vp
ρ


Qw
Qw
Tm
Nch
HTCN

Ý nghĩa
Chiều dày phoi.
Chiều dày phoi thực tế.
Chiều rộng của đá.

Mật độ lưỡi cắt tĩnh trên một đơn vị thể tích đá.
Đường kính đá mài.
Chiều cao biên dạng nhám bề mặt.
Chiều cao biên dạng của lưỡi cắt.
Khoảng cách giữa các lưỡi cắt động.
Khoảng cách giữa các lưỡi cắt tĩnh.
Tốc độ quay của đá.
Tốc độ quay của chi tiết.
Lực cắt tổng khi mài.
Lực thành phần tiếp tuyến.
Lực thành phần pháp tuyến tuyến.
Lực thành phần Theo phương dọc trục.
Lượng chạy dao dọc khi mài.
Lượng chạy dao ngang khi mài.
Lượng chạy dao vòng.
Lượng chạy dao dọc khi sửa đá.
Chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt.
Chiều cao nhấp nhô Profin trung bình bề mặt.
Chiều sâu cắt khi sửa đá.
Hệ số truyền nhiệt.
Vận tốc cắt của đá.
Vận tốc phôi.
Bán kính lưỡi cắt.
Hệ số lực cắt.
Thể tích cắt theo thời gian.
Thể tích cắt theo thời gian trên 1 đơn vị chiều rộng đá.
Nhiệt độ mài.
Công suất mài tại ngưỡng cháy bề mặt.
Hệ thống công nghệ (Máy – Đồ gá – Dao – Chi tiết).

Đơn vị
mm
mm
mm
1/mm3
mm
mm
mm
mm
mm
v/ph
v/ph
N
N
N
N
m/p
mm/htk
m/p
m/p
m
m
mm
m/s
m/s
mm
mm3/s
mm3/s
0
C

W


2
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT

Số bảng

Nội dung

1

1.1

Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc
vào hàm lượng hợp kim.

21

2

4.1

Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm.

68

3

4.2

Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm lực cắt.

70

4

4.3

5

4.4

6

4.5

7

4.6

Bảng logarit hóa của các biến thực
nghiệm.
Bảng logarit hóa của các biến thực
nghiệm.
Giá trị hồi quy thực nghiệm của phương
trình hàm 4.6.
Giá trị hồi quy thực nghiệm của phương
trình hàm 4.10.

Trang

72
73
75
75


3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
TT
1

Số hình
1.1

2

1.2

3

1.3

4

1.4

5

6
7
8
9

1.5
1.6
1.7
1.8
1.9

10

1.10

11

1.11

12

1.12

13

1.13

14

1.14

15

1.15

16

1.16

17

1.17

18
19
20
21
22
23
24

1.18
1.19
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5

25

2.6

26

2.7

Nội dung
Mài phẳng bằng đá mài.
Sơ đồ mô tả quan hệ của các thông số vào
- ra của quá trình mài.
Quá trình tạo phoi khi mài của một hạt
mài.
Sơ đồ mô tả quá trình tạo phoi bằng hạt
mài có bán kính đỉnh cắt ρ.
Các dạng phôi mài.
Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài.
Giản đồ nhấp nhô bề mặt.
Sự hình thành độ nhám bề mặt.
Ảnh SEM bề mặt.
Hình dạng tế vi của một số vật liệu hạt
mài.
Hình dạng của hạt mài kim cương với tỷ lệ
chất phủ Nikel khác nhau.
Hình dạng tế vi của hạt mài Si3N4 phủ
Nikel.
Hạt mài Si4N4 không được phủ Nikel (a)
và được phủ Nikel (b).
Sự biến đổi các lưỡi cắt của hạt mài Si3N4.
Các hạt mài Cácbít Vônfram được phủ

bạc.
Các tính chất cơi lý của một số hạt mài
thông dụng.
Ký hiệu đá mài với hạt mài oxit nhôm và
cácbít Silic theo tiêu chuẩn của Mỹ.
Cơ chế mòi đá.
Các dạng mòi của đá mài.
Sơ đồ lực cắt khi mài tròn ngoài.
Một số dụng cụ sửa đá kim cương.
Phân loại dụng cụ sửa đá kim cương.
Sừa đá bằng bút chì kim cương.
Sơ đồ lực cắt khi sửa đá.
Ảnh hưởng của chiều sâu sửa đá tsđ đến
nhiệt độ khi sửa đá.
Sự biến đổi của Topography phụ thuộc
vào dạng Topography khởi thủy và tải

Trang
12
15
16
17
19
20
23
24
25
30
31
31

32
32
33
33
36
39
40
43
48
49
50
52
53
56


4

27

2.8

28

2.9

29
30

3.1

3.2

31

3.3

32

3.4

33

4.1

34

4.2

trọng khi mài.
Ảnh hưởng của dụng cụ sửa đá đến chiều
cao biên dạng ha.
Ảnh hưởng của Ssđ khi sửa đá đến
Topography.
Mô hình thí nghiệm đo lực.
Mẫu phôi thí nghiệm.
Cấu trúc thân cảm biến và phần tử biến
dạng.
Sơ đồ chức năng bộ chuyển đổi tương tự số (ADV).
Đồ thị quan hệ giữa Pz với Ssđ, tsđ – Thép
C45 thường hóa.

Đồ thị quan hệ giữa Py với Ssđ, tsđ – Thép
C45 thường hóa.

58
59
63
64
65
65
76
76


5

MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu.
Danh mục các bảng biểu.
Dạnh mục các hình vẽ và đồ thị.
PHẦN MỞ ĐẦU

1
2
3

1. Tính cấp thiết của đề tài.
2. Mục đích, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu.
2.1. Mục đích của đề tài.
2.2. Đối tượng nghiên cứu.
2.3. Nội dung nghiên cứu.

2.4. Phương pháp nghiên cứu.
3. Ý nghĩa của đề tài.
3.1. Ý nghĩa khoa học.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn.
4. Kếu cấu của luận văn.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI.
1.1. Đặc điểm của quá trình mài.
1.2. Quá trình tạo phoi khi mài.
1.3. Nhiệt cắt và sự phân bố năng lượng.
1.4. Chất lượng bề mặt chi tiết sau khi mài.
1.4.1. Độ nhám bề mặt khi mài.
1.4.2. Độ sóng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới độ sóng bề mặt.
1.4.3. Biến đổi cấu trúc lớp bề mặt kim loại mài
1.5. Đá mài và các thông số cơ bản của đá mài.
1.5.1. Cấu trúc chung của đá mài.
1.5.2. Ký hiệu của đá mài.
1.5.3. Vật liệu hạt mài.
1.5.4. Chất kết dính.
1.6. Sự mài mòn của hạt mài và chất kết dính.
1.7. Sửa đá mài.
1.8. Các nghiên cứu về mài.
CHƢƠNG 2: LỰC CẮT KHI MÀI THÉP C45 THƢỜNG HÓA VÀ
CÔNG NGHỆ SỬA ĐÁ MÀI.
2.1. Lực cắt khi mài.
2.2. Phương trình cơ bản để xác định lực cắt.
2.3. Xác định lực cắt bằng thực nghiệm.
2.4. Sửa đá mài.
2.4.1. Dụng cụ sửa đá.
2.4.2. Động lực học quá trình sửa đá.
2.4.3. Topography của đá mài.

2.4.3.1. Định nghĩa.

7
9
9
9
9
9
10
10
10
11
12
15
20
22
23
26
27
29
29
34
37
38
38
40
41

43
45

46
47
47
51
54
54


6
2.4.3.2. Tính chất của Topography.
2.4.3.3. Ý nghĩa của Topography.
2.4.3.4. Sự biến đổi Topography của đá mài.
2.4.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến Topography của đá mài.
2.4.3.5.1. Ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của đá mài.
2.4.3.5.2. Ảnh hưởng của dụng cụ sửa đá.
2.4.3.5.3. Ảnh hưởng của chế độ cắt khi sửa đá.
a. Ảnh hưởng của Ssd .
b. Ảnh hưởng của chiều sâu sửa đá tsd
c. Ảnh hưởng của vận tốc cắt khi sửa đá.
2.5. Kết luận chương 2.
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM.
3.1. Mô hình thí nghiệm.
3.1.1. Đặt vấn đề.
3.1.2. Mô hình thí nghiệm đo lực
3.1.3. Các thông số công nghệ cơ bản của hệ thống.
3.1.3.1. Máy.
3.1.3.2. Đá mài.
3.1.3.3. Dụng cụ sửa đá.
3.1.3.4. Chi tiết gia công.
3.1.3.5. Phương pháp mài.

3.1.3.6 Thiết bị đo.
3.2. Kết luận.
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ.
4.1. Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm.
4.2. Phương pháp tiến hành thí nghiệm.
4.2.1. Phương pháp tiến hành thí nghiệm.
4.2.2. Số liệu thí nghiệm.
4.3. Xử lý kết quả thí nghiệm và thảo luận kết quả.
4.3.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm.
4.3.2. Xử lý kết quả thí nghiệm với thép C45 thường hóa.
4.3. Thảo luận kết quả.
4.4. Kết luận chương 4
Kết luận chung.
Tài liệu tham khảo.

54
55
55
57
57
57
58
58
59
60
60
62
62
62
63

63
64
64
64
64
64
66
67
67
67
69
71
71
71
77
77
79
80


7

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công là một trong những vấn đề
rất quan trọng của ngành công nghệ chế tạo máy nhằm tạo ra các sản phẩm,
máy móc thiết bị đạt độ chính xác cao, tuổi bền cao đảm bảo các hiệu quả về
kinh tế và kỹ thuật. Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp công nghệ và
phương pháp gia công tinh lần cuối các bề mặt chi tiết máy, đồng thời tìm ra
những biện pháp công nghệ mới hoàn thiện hơn là một nhiệm vụ cấp bách.

Mài là một phương pháp gia công có vị trí rất quan trọng trong gia công
cơ khí đặc biệt là cơ khí chính xác, bởi vì mài tạo ra được các chi tiết máy có
độ chính xác cao, chất lượng bề mặt cao, gia công được các loại vật liệu có cơ
tính cao (độ bền cao, độ cứng cao..v..v..). Mài không những áp dụng để gia
công lần cuối các loại chi tiết máy mà còn áp dụng để gia công thô, trong đó
nhiều trường hợp bề mặt mài được thực hiện mà không qua các bước gia công
trung gian. ở các nước công nghiệp phát triển việc nghiên cứu và ứng dụng
công nghệ mài định hình, mài chép hình, mài chính xác, mài siêu chính xác...
vào sản xuất được sử dụng rất rộng rãi và không thể thiếu được trong ngành gia
công cơ khí.
Hiện nay, do xu thế hội nhập khu vực và thế giới các sản phẩm cơ khí Việt
Nam cũng phải vươn lên đạt các chỉ tiêu chất lượng của khu vực và quốc tế, vì
vậy việc nghiên cứu và ứng dụng kết quả của công nghệ mài để góp phần nâng
cao chất lượng các sản phẩm cơ khí là vấn đề cấp thiết.
Tuy nhiên, việc chọn đá mài phù hợp để đạt độ chính xác gia công theo
yêu cầu phụ thuộc vào vật liệu gia công, điều đó có nghĩa là: ứng với mỗi một
loại vật liệu khác nhau ta phải lựa chọn một loại đá mài phù hợp. Đối với các
loại vật liệu cứng ta nên chọn đá mài “mềm” để tăng khả năng năng suất cắt gọt
và độ nhẵn bóng nhờ cơ chế “tự làm sắc” của đá mài. Và ngược lại: đối với vật


8
liệu mềm ta nên chọn đá mài “cứng” để tăng năng suất cắt gọt và chống bám
dính nên trên bề mặt đá mài của vật liệu mài.
Ở các nước phát triển quá trình sản xuất là hàng loạt, hàng khối nên quá
trình lựa chọn đá mài cho phù hợp với vật liệu mài rất đơn giản. Tuy nhiên ở
Việt Nam, hoạt động sản xuất cơ khí chưa phát triển, còn mang tính chất riêng
lẻ, quy mô sản xuất chỉ là loạt nhỏ hoặc loạt vừa thậm chí là đơn chiếc nên việc
lựa chọn đá mài cho phù hợp gặp rất nhiều khó khăn, không phải không lựa
chọn được đá mà là vấn đề của bài toán kinh tế, giá thành sản phẩm. Điều này

ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động sản xuất, sự phát triển và tồn tại của doanh
nghiệp trong thời buổi kinh tế thị trường, cạnh tranh khốc liệt. Vì vậy một vấn
đề được đặt ra là làm sao mở rộng được khả năng mài của đá mài, giảm tối đa
số chủng loại của đá mài trong hoạt động sản xuất mà vẫn đảm bảo được năng
suất, độ nhẵn bóng và độ chính xác gia công, từ đó giảm chi phí thay mới đá
mài làm cơ sở hạ giá thành sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh rất lớn cho
doanh nghiệp.
Mặt khác, sau một thời gian mài nhất định ứng với tuổi bền của đá mài,
đá sẽ bị mòn, lực cắt cũng tăng, độ nhám bề mặt sẽ tăng, xuất hiện các loại dao
động, khả năng cắt của đá giảm đi rất nhanh, do đó đá mài phải được sửa lại.
Nhiều công trình nghiên cứu trước đây đã cho thấy rằng tốc độ cắt (bước tiến S,
vận tốc cắt V và chiều sâu cắt t) có ảnh hưởng tới lực cắt, nhiệt cắt, rung động
dẫn đến ảnh hưởng tới độ chính xác gia công và độ nhẵn bóng bề mặt và những
quan hệ đó đã được thể hiện bằng những hàm số cụ thể ứng với mỗi loại vật
liệu gia công cụ thể. Tuy nhiên, trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây người ta
thấy rẳng không chỉ tốc độ cắt có ảnh hưởng đến các thông số đặc trưng cho
quá trình cắt (lực cắt, nhiệt cắt, rung động, nhám bề mặt...) mà chính tốc độ và
độ chính xác khi sửa đá cũng ảnh hưởng đến các yếu tố đó. Vì vậy quá trình
sửa đá đóng một vai trò quan trọng quyết định đến lực cắt, rung động dẫn đến
ảnh hưởng tới độ chính xác gia công và độ nhẵn bóng bề mặt.


9
Trước những yêu cầu đó em chọn đề tài:
“ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới lực cắt khi mài thép C45
thường hóa ”
2. Mục đích, đối tƣợng, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.
2.1. Mục đích của đề tài.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá (s sđ,tsđ) đến lực cắt
khi mài tròn ngoài thép C45 thường hóa. Xây dựng mối quan hệ hàm số giữa

các thông số công nghệ sửa đá (ssđ,tsđ) với lực cắt khi khi mài tròn ngoài. Từ đó
có thể nghiên cứu và điều khiển quá trình sửa đá để đạt được Topography của
đá thích hợp nhằm cải thiện tính cắt gọt của đá, giảm rung động do lực cắt gây
ra, nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao tuổi bền của đá mài, mở rộng khả
năng công nghệ của đá mài, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của
đá mài.
Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập.
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu.
Đá mài corun điện với chất kết dính keramit gia công thép kết cấu C45
thường hóa. Những kết quả và nghiên cứu đạt được sẽ vẫn dụng hiệu quả trong
quá trình nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn khi mài bằng các loại vật liệu
khác nhau, bằng các loại đá mài khác nhau.
2.3. Nội dung nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về quá trình mài.
Nghiên cứu công nghệ sửa đá và lực cắt khi mài thép C45 thường hóa.
Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ sửa đá tới lực cắt khi mài
và mở rộng khả năng công nghệ của đá mài.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.


10
Trong đó nghiên cứu thực nghiệm là chủ yếu. Việc nghiên cứu thực
nghiệm được tiến hành với hệ thống thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao.
3. Ý nghĩa của đề tài.
3.1. Ý nghĩa khoa học.
Bổ sung các lý thuyết tổng quan về mài vật liệu nói chung và mài thép

C45 thường hóa nói riêng. Đồng thời xác lập được mối quan hệ giữa các thông
số của công nghệ sửa đá với lực cắt khi mài thép thường hóa C45. Kết quả
nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa quá trình mài.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn.
Xuất phát từ điều kiện gia công cụ thể: Cặp đá mài – vật liệu gia công, hệ
thống công nghệ, chất lượng sản phẩm. v.v... chọn được chế độ công nghệ sửa
đá hợp lý nhằm đảm bảo được lực cắt ở khoảng giá trị thuận lợi, giảm rung
động và tăng chất lượng bề mặt, độ chính xác gia công và tuổi bền của đá là lớn
nhất.
Ở các nước phát triển quá trình sản xuất là hàng loạt, hàng khối nên quá
trình lựa chọn đá mài cho phù hợp với vật liệu mài rất đơn giản. Tức là với vật
liệu mềm ta nên chọn đá cứng và vật liệu cứng thì chọn đá mềm.Tuy nhiên ở
Việt Nam hiện nay, hoạt động sản xuất cơ khí chưa phát triển, còn mang tính
chất riêng lẻ, quy mô sản xuất chỉ là loạt nhỏ hoặc loạt vừa thậm chí là đơn
chiếc nên nếu theo lý thuyết trên thì chi phí gia công sẽ tăng vọt. Do đó ý tưởng
của đề tài là: Dùng một viên đá có độ cứng trung bình, độ hạt trung bình nhưng
khi mài vật liệu khác nhau thì sửa đá với chế độ công nghệ sửa đá phù hợp để
tạo được Topography thích hợp thỏa mãn được yêu cầu của nguyên công mà
không cần thay đá. Do đó sẽ mở rộng khả năng gia công của đá mài bằng cách
điều khiển chế độ công nghệ khi sửa đá, do đó hạn chế được số chủng loại đá,
thời gian thay đá .v.v...Từ đó nâng cao được tính linh hoạt, hiệu quả kinh tế - kỹ
thuật của đá mài.


11
4. Kết cấu của luận văn.
Luận văn được trình bày với kết cấu gồm bốn chương:
Chương 1. Giới thiệu tổng quan tài liệu về quá trình mài
Chương 2. Lực cắt khi mài thép C45 thường hóa và công nghệ sửa đá mài.
Chương 3. Xây dựng hệ thống thí nghiệm.

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý kết quả.
Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù đã có sự cố gắng nhưng do thời gian
có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu không thể
tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, sự chỉ
bảo của các Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp.


12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI
1.1. Đặc điểm của quá trình mài.
Mài là một phương pháp gia công cắt gọt tốc độ cao ( 30m/s, mài cao
tốc có thể tới 120m/s). Quá trình cắt được thực hiện bởi một số lượng lớn các
hạt mài có độ cứng cao gắn cứng trong đá mài.. Đá mài được hình thành từ các
hạt mài, chất dính kết và các lỗ trống như trên hình 1.1b. Nó là loại dụng cụ có
rất nhiều lưỡi cắt không liên tục đồng thời tham gia quá trình cắt, các lưỡi cắt
được tạo ra bởi những hạt mài có kích thước nhỏ, hình dánh khác nhau và phân
bố lộn xộn trong chất kết dính.
Để thực hiện quá trình mài, đá mài và chi tiết phải có các chuyển động
cần thiết. Khi mài phẳng (hình 1.1a), thông thường đá mài có chuyển động
quay tròn, còn chi tiết có chuyển động tịnh tiến khứ hồi. Các chuyển động chạy
dao do ụ đá hoặc bàn máy thực hiện tuỳ thuộc vào kết cấu của từng loại máy sử
dụng.

Hình 1. 1. Mài phẳng bằng đá mài trụ
1- Đá mài; 2 – chiều quay của đá mài; 3 – bề mặt công tác của đá mài;
4-chiều chuyển động của chi tết; 5 – lỗ trống; 6 - chất dính kết; 7 – hạt mài.
Khi mài tròn ngoài thì chuyển động tịnh tiến khứ hồi của chi tiết được
thay bằng chuyển động quay tròn và tùy thuộc vào kích thước của đá và chi tiết
mà có chuyển động chạy dao dọc hay chạy dao ngang.

13
Mài thường được sử dụng để gia công tinh các chi tiết, vì vậy nó có vai
trò quan trọng trong toàn bộ quá trình gia công chế tạo các sản phẩn cơ khí.
Mài có một số các đặc điểm đặc trưng sau đây:
- Có thể cắt được chiều sâu cắt rất nhỏ (005- 0,09 mm);
- Vận tốc cắt lớn (30-50 m/s). Với các máy mài cao tốc, vận tốc cắt có
thể đạt tới trên 100 m/s;
- Các hạt mài có khả năng tự mài sắc;
- Các hạt mài thường có hình dạng không xác định, góc trước âm;
- Điều chỉnh, gá đặt chi tiết đơn giản, không tốn nhiều thời gian. Có thể
thay đổi chế độ cắt ngay trong quá trình gia công;
- Độ nhẵn bóng và độ chính xác đạt được cao (độ chính xác cấp 1-2, độ
nhám bề mặt 0,2-3,2  m);
- Mài gia công được nhiều dạng bề mặt khác nhau như mặt phẳng, mặt
trụ, mặt ren, mặt răng v.v;
- Mài cho phép gia công được các loại vật liệu có độ cứng và độ bền cao.
Trong nhiều trường hợp, mài còn được sử dụng để gia công bóc vỏ các
phôi đúc, dập có lớp bề mặt bị biến cứng sau khi tạo phôi, cắt đứt, làm sạch các
phôi thép trong các xưởng đúc và trong các nhà máy cán thép.
Hiện nay các phương pháp tạo phôi ngày càng được hoàn thiện, lớp kim loại
cần hớt bỏ (lượng dư gia công) ngày càng bé hơn, do đó hiệu quả sử dụng của
mài càng cao. Mài cho phép gia công trực tiếp đạt kích thước mà không cần
qua các phương pháp gia công khác như tiện, phay, bào và một số phương pháp
gia công bán tinh khác.
Tốc độ cao là một trong những đặc điểm nổi bật của mài, tốc độ mài trên
các máy mài thông thường đạt 30-50 m/s (1800-3000 vg/ph). Với mài cao tốc,
vận tốc cắt có thể đạt tới 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 -4-105

s).


14
Do tốc độ cắt cao, góc cắt lớn, góc trước âm nên nhiệt cắt sinh ra trong
quá trình mài rất lớn (800-1100oC), làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể và
biến đổi các tính chất cơ lý của lớp vật liệu bề mặt, gây ra các hiện tượng như
cháy, nứt tế vi và ứng suất dư. Quan hệ giữa các thông số đầu vào với các thông
số đầu ra của quá trình mài được mô tả trên hình 1.2.
Mặc dù có vai trò rất quan trọng trong các quá trình công nghệ gia công,
nhưng mài vẫn còn 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. Ngoài ra mài là một quá trình phức tạp, còn
nhiều vấn đề phải tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện. Các thông số đầu ra phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố và điều kiện gia công cũng như tình trạng cụ thể của
máy [1]. Quy luật biến đổi của các thông số không ổn định theo theo thời gian.
Vì vậy, để nâng cao hiệu quả, tính ổn định của quá trình mài cho các điều kiện
gia công khác nhau, việc nghiên cứu, hoàn thiện công nghệ mài là rất cần thiết
đối với gia công cơ hiện nay.


15

Hình 1. 2: Sơ đồ mô tả quan hệ của các thông số vào-ra của quá trình mài
1.2. Quá trình tạo phoi khi mài.
Nếu xem xét quá trình tạo phoi khi mài của một hạt mài ta thấy nó có
nguyên lý làm việc tương tự như với một răng của dao phay. Quá trình này
được mô tả như trên hình 1.3 [14]. Tuy nhiên quá trình mài có những đặc thù
riêng, tương đối khác biệt với quá trình cắt bằng dụng cụ kim loại như dao
phay.

16
PY

PZ

Hình 1.3. Quá trình tạo phoi khi mài của một hạt mài
1- Hạt mài; 2 - Phoi mài; 3 - Phôi
Những khác biệt ấy bao gồm:
- Các lưỡi cắt của hạt mài tham gia cắt không liên tục.
- Lớp kim loại được cắt bởi một hạt đá mài có sự phụ thuộc về quan hệ
chiều rộng và bề dày hạt đá.
- Hình dáng hình học của hạt mài không xác định, ở đỉnh cắt của hạt mài
có cung lượn bán kính R.
- Hạt mài phân bố không có quy luật trên bề mặt trụ của đá.
- Tốc độ cắt cao, có nhiều lưỡi cắt cùng tham gia cắt đồng thời trong
vùng cắt (vùng tiếp xúc giữa đá và bề mặt gia công).
- Các lưỡi cắt của hạt đá mài có độ cứng, bền nhiệt, độ giòn rất cao.
- Do có nhiều lưỡi cắt cùng tham gia cắt gọt nên tạo ra nhiệt cắt lớn,
nhiệt độ vùng cắt cao.
- Có hiện tượng trượt giữa hạt mài và kim loại trước khi cắt gọt.


17

a (a<<)

b(a<)

c(a>)

Hình 1.4.Sơ đồ mô tả quá trình tạo phoi bằng hạt mài có bán kính đỉnh cắt ρ
a-Hiện tượng trượt của hạt mài trên bề mặt mài; b- miết kim loại; c- tạo phoi
Đá mài không có lưỡi cắt liên tục trên vành cắt, các cạnh cắt của hạt mài
nằm trên độ cao khác nhau, do đó không phải tất cả các hạt mài đều tham gia
cắt gọt trong cùng một thời điểm giống nhau. Hạt thì trượt trên bề mặt gia công,
hạt thì miết nén, hạt thì tạo phoi (hình 1.4). Những hạt có bán kính cung lượn
lớn tức là những hạt quá mòn không thể cắt được lát cắt mỏng, những hạt này
không cắt mà chỉ trượt trên bề mặt gia công, lúc này sinh ra một lượng nhiệt rất
lớn.
Do mũi dao có bán kính ρ lớn và góc ăn tới của lưỡi cắt η 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 lưỡi cắt hoặc chảy qua mặt dưới của lưỡi cắt sang
mặt sau của hạt mài.
Khi lưỡi cắt tiếp tục ăn sâu vào chi tiết thì chiều dày phoi az tương 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 xẩy ra đồng thời.
Do vậy chiều dày phoi thực tế a’z nhỏ hơn chiều sâu cắt thực tế t.
Các nghiên cứu cho thấy rằng a’z , t phụ thuộc vào hình dáng hình học
của lưỡi cắt, vào góc tác dụng η, vào vận tốc cắt vd . Ngoài ra a’z còn phụ thuộc
vào các yếu tố khác như: các thành phần của lực cắt, vào cơ lý tính của vật liệu


18
gia công. Khi lưỡi cắt bị mòn ( ρ lớn ), góc η nhỏ thì biến dạng vật liệu tăng lên
mặc dù t lớn nhưng a’z vẫn nhỏ. Khi tăng vc có ma sát giữa lưỡi cắt và bề mặt
mài thì a’z tăng . Quá trình tạo phoi xảy ra trong khoảnh khắc rất nhỏ 0,0010,005 giây.

19
 Phoi mài.
Phoi mài có nhiều dạng khác nhau. Với đá mài cho trước, hình dáng và kích
thước của phoi mài phụ thuộc vào chế độ cắt khi mài. Có ba dạng phoi điển
hình như trên hình 1.5 [15]:
Sử dụng SEM để quan sát phôi mài, ta có các nhận xét như sau:
Các phoi có hình dạng lá, xoắn lượn
rất giống với phoi tiện. Các phoi có cấu
trúc lá mỏng giống như phoi của các quá
trình gia công khác.
Cấu trúc của phoi giống như phoi
tiện nhưng ở mức độ nhỏ hơn. Phoi bị
uốn cong nhiều do góc trước âm và do
quá trình biến dạng gần như đoạn nhiệt
vì vận tốc cắt cao.
Phoi có dạng hình cầu rỗng với cấu
trúc tế vi dạng nhán mỏng do bị nóng
chảy và hóa rắn nhanh sau đó. Hiện
tượng này xảy ra không nhất thiết trong
khi mài mà do phản ứng giữa phoi với
O2 trong không khí tạo ra hoa lửa.
.
Hình 1.5. Các dạng phoi mài.


20
1.3. Nhiệt cắt và sự phân bố năng lƣợng.
Năng lượng và nhiệt cắt phân bố trong quá trình cắt được giới thiệu ở
hình 1.6 [14].

Vd
Chất kết dính
Hạt mài

Phoi

Môi trường

Ma sát phoi
Năng lượng
cắt

Năng lượng
dồn ép
Chi tiết
Hình 1.6. Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài.
Ta thấy, năng lượng cơ học cơ bản được biến thành nhiệt ở 4 khu vực:
- Do các lưỡi cắt bị mòn ( hoặc do có ρ lớn) 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 biến
thành nhiệt.
- Nhiệt sinh ra do năng lượng cắt và ma sát giữa phoi và mặt trước của
dao. Nguồn nhiệt khi mài 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 sẽ làm thay đổi tổ chức tế vi của bề mặt chi tiết


21
theo hướng không có lợi hoặc làm oxy hóa bề mặt tùy theo thời gian

tác động nhiệt.
- Một phần nhiệt truyền vào dụng cụ. Nhiệt này sẽ làm suy giảm độ
cứng, suy giảm tính cắt của hạt mài và suy giảm tính năng của chất
kết dính. 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 gia công rất
lớn (khoảng 1000 ÷ 15000 C), thời gian tác dụng để phát sinh nhiệt là rất ngắn
(1.10-4 ÷ 5.10-6 s) sau đó nhiệt lại giảm xuống nhanh chóng.
Bảng 1.1. Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim[4]:
Hàm lƣợng hợp kim

λ

2% Cr

0,025

12%Cr

0,050

18%W

0,070

2%Mn

0,078

1,1%C

0,102

Nhiệt độ mài Tm có thể xác định theo công thức sau [4]:
Tm =

k .. p.(l.v d ) 0,5
(. .c) 0,5

o

( C)

Trong đó:
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.
L – chiều dài tiếp xúc ( cm ).

( 1.1 )


22
vd – tốc độ đá mài (m/ph).
λ – hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công ( Kcal/cm.g.độ).
γ – khối lượng riêng của vật liệu gia công.
c – nhiệt dung riêng của vật liệu gia công.
Phương trình (1.1) cho thấy nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố
như: chế độ cắt, chất liệu gia công, vật liệu hạt mài, chất kết dính, độ xốp của

đá mài, dung dich trơn nguội và phương pháp tưới nguội.
Tỷ lệ các nguyên tố hợp kim trong vật liệu là yếu tố ảnh hưởng quyết
định đến hệ số truyền nhiệt của vật liệu. Những vật liệu có số lượng và hàm
lượng 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).
Khác với phương pháp cặt gọt khác, khi mài bằng đá thường nhiệt độ chủ
yếu truyền vào chi tiết gia công (65% ÷ 84%), phần còn lại truyền vào đá mài
(11% ÷ 12%), vào dung dich trơn nguội (4% ÷ 13%), và vào phoi không đáng
kể (3% ÷ 7%).
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 tưới nguội hợp lý.
- Sử dụng các 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.
1.4. Chất lƣợng bề mặt chi tiết sau khi mài.
Mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối các bề mặt
vì thế chất lượng bề mặt mài có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của
chi tiết máy.


23
Chất lượng bề mặt mài là kết quả của sự tương tác lý, hóa phức tạp giữa
các vật liệu trong vừng gia công. Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt
mài gồm:
- Tính chất hình học của bề mặt.
- Tính chất cơ lý lớp bề mặt.
1.4.1. Độ nhám bề mặt khi mài.

Để đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết sau khi mài tinh cần đánh giá tổng
hợp nhiều chỉ tiêu đó là các chỉ tiêu hình học và tính chất cơ lý của lớp kim loại
bề mặt. Tuy nhiên trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung đánh giá một chỉ tiêu
mà có thể đo được chính xác đó là độ nhấp nhô tế vi (độ nhám) bề mặt chi tiết
mài.
Độ nhấp nhô tế vi bề mặt mài là toàn bộ các vết được tạo ra bởi các lưỡi
cắt của đá mài. Hình dạng và kích thước của các vết này là ngẫu nhiên. Độ
nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết mài phụ thuộc vào sự phân bố của các hạt mài
trên đá mài, và quá trình động học, mức độ biến dạng dẻo khi cắt, chế độ cắt,
đặc tính đá, chế độ trơn nguội, độ cứng vững của máy...
- Trung bình số học của sai lệch prôfin Ra
1

1
1 n
Ra =  yi dx   yi
l x 0
n i 1

(1.2)

- Độ cao nhấp nhô Rz: khoảng cách trung bình giữa năm điểm cao và năm điểm
rãnh trong chiều dài cơ sở.
Rz =

h1  h3  h5  h7  h9   h2  h4  h6  h8  h10 

(1.3)

5

+Y

F1

F3

Fn-1

-Y

Hình 1.7. Giản đồ nhấp nhô bề mặt

Fn

h10

F4

h4

F2

h2

X

h9

h1

h3

0


24
Độ nhám bề mặt hình thành chủ yếu bởi các vết cào xước chồng lên nhau
của các điểm cắt có chiều cao không bằng nhau (hình 1.8):

Hình 1.8. Sự hình thành độ nhám bề mặt
Khi mài bằng đá mài thường thì độ nhám trung bình của bề mặt mài
Ra = (0,15÷2,5)  m. Với đá mài CBN, sau khi chuẩn bị đá ban đầu (điều chỉnh
và sửa đá), độ nhám bề mặt mài ban đầu có thể đạt mức tương đương với đá
mài thông thường sửa đá lần cuối.
Bằng cách chụp ảnh tế vi bề mặt mài, các nghiên cứu cho thấy độ nhám
lý thuyết của bề mặt mài tăng lên do hiện tượng sau:
- Vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt.
- Kim loại dính vào các hạt mài rồi lại dính trở lại bề mặt phôi.
- Các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi
lõm trên bề mặt mài đông thời tạo ra ứng suất tập trung.
- Các vết nứt trên bề mặt mài do nhiệt mài.