Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)

x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Sơ đồ mài phẳng sử dụng mặt đầu đá

6

Hình 1.2 Sơ đồ mài phẳng bằng đá mài hình trụ

6

Hình 1.3 Đá mài gián đoạn với các thanh mài (a) hình lăng trụ (b) hình lục giác

9

Hình 1.4 Một số hình dạng cơ bản của đá mài (a) bàn cờ, so le, chéo, và hình V và (b)
so le, chéo, đối xứng và song song;(c) có khoảng cách cắt chân (d) hình côn

9

Hình 1.5 Sự tạo thành áp lực chất làm mát trước vùng tiếp xúc trong quá trình mài cho

các bánh mài tiêu chuẩn (trái) và có khe (phải)

10

Hình 1.6 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh trên thế giới nghiên cứu

10

Hình 1.7 Hình dáng hình học đá mài xẻ rãnh

12

Hình 1.8 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh thực do Việt Nam nghiên cứu

12

Hình 1.9 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu

14

Hình 1.10 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng

14

Hình 2.1 Máy mài phẳng KENT

20

Hình 2.2 Sơ đồ các đại lượng trong quá trình mài phẳng

20

Hình 2.3 Sự hình thành độ nhám bề mặt mài

21

Hình 2.4 Ảnh SEM bề mặt mài

21

Hình 2.5 Mô hình bề mặt đá

22

Hình 2.6 Mô hình độ nhám lý tưởng bề mặt chi tiết

22

Hình 3.1 Sơ đồ quá trình thí nghiệm của luận án

30

Hình 3.2 Sai lệch độ phẳng bề mặt

35

Hình 3.3 Sai lệch độ song song bề mặt

35

Hình 3.4 Sai lệch số học trung bình prôphin Ra
Hình 3.5 Các thành phần lực cắt khi mài phẳng

36
37

Hình 3.6 Sơ đồ tính lực cắt giả định khi mài phẳng

38

Hình 3.7 Hình dạng của đá mài gián đoạn với tỷ lệ gián đoạn khác nhau [58]

40

Hình 3.8 Quan hệ giữa lượng tiến dao dọc với lực pháp tuyến (a) và lực tiếp tuyến (b)
khi gia công bằng đá mài truyền thống và đá mài gián đoạn. Đá mài gián đoạn thực

44

hiện khả năng giảm lực cắt trong quá trình gia công
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý đo nhám theo phương pháp tiếp xúc bằng đầu dò

45

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý của máy đo 3 tọa độ.

46


xi

Hình 3.11 Các hệ tọa độ ba chiều được sử dụng trong máy đo tọa độ

47

Hình 3.12 Sơ đồ đo hai tiếp điểm

48

Hình 3.13 Thiết bị đo lực Futek MTA 400

48

Hình 3.14 Cấu tạo thiết bị đo lực loadcell

49

Hình 3.15 Các mạch điều khiển của cảm biến đo lực

49

Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt

50

Hình 3.17 Sơ đồ khối hệ thống đo phân bố nhiệt độ

51

Hình 3.18 Sơ đồ khối cảm biến nhiệt điện

51

Hình 3.19 Cấu tạo cặp nhiệt

51

Hình 3.20 Sơ đồ đo điện áp nhiệt điện (a) và mạch thay thế (b)

52

Hình 3.21 Sơ đồ hệ thống và phân tích đo rung động

53

Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi

57

Hình 4.2 Máy mài phẳng KENT

61

Hình 4.3a Kích thước của đá mài gián đoạn

63

Hình 4.3b Lắp đá mài trên máy

63

Hình 4.4 Bộ đá mài gián đoạn và đá mài thường

63

Hình 4.5 Sửa đá bằng đầu sửa đá kim cương

63

Hình 4.6 Mẫu thí nghiệm SKD11

63

Hình 4.7 Mẫu thí nghiệm đã nhiệt luyện

64

Hình 4.8 Bề mặt chi tiết sau khi mài

65

Hình 4.9 Máy đo sai lệch độ phẳng ZEISS

65

Hình 4.10a. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi lượng chạy dao đến sai lệch độ
phẳng

67

Hình 4.10b. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến sai lệch độ
phẳng

67

Hình 4.10c Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến sai lệch độ
phẳng

67

Hình 4.11 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số đến sai lệch độ phẳng

68

Hình 4.12 Máy đo độ nhám bề mặt Mittutoyo SJ-301

68

Hình 4.13a Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi lượng chạy dao đến độ nhám
bề mặt

70


xii

Hình 4.13b Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến độ nhám bề
mặt

70

Hình 4.13c Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến độ nhám
bề mặt

70

Hình 4.14 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám

71

Hình 4.15 Thiết bị đo lực sử dụng cảm biến

72

Hình 4.16 Chương trình đo lực cắt 3 chiều

72

Hình 4.17 Card A/D thu nhận dữ liệu

72

Hình 4.18 Cảm biến đo lực cắt

72

Hình 4.19 Mô hình thí nghiệm

72

Hình 4.20a Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều lượng chạy dao đến lực cắt khi
mài vật liệu SKD11 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm

74

Hình 4.20b Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến lực cắt
khi mài vật liệu SKD11nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm

74

Hình 4.20c Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến lực cắt
khi mài vật liệu SKD11 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm

74

Hình 4.21 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số đến lực cắt

75

Hình 4.22.Card A/D thu nhận dữ liệu

76

Hình 4.23Cảm biến cặp nhiệt K nối ra ngoài vỏ bảo vệ thời gian đáp ứng tín hiệu đo 1s
đến 3s.

76

Hình 4.24a Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi lượng chạy dao đến nhiệt sinh ra khi
mài

77

Hình 4.24b Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến nhiệt sinh ra khi
mài

77

Hình 4.24c Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến nhiệt sinh ra khi
mài

78

Hình 4.25 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số hệ thống công nghệ đến nhiệt cắt

79

Hình 4.26 Sơ đồ hệ thống và phân tích đo rung động

79

Hình 4.27 Hệ thống đo rung động khi mài phẳng

80

Hình 4.28a Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi lượng chạy dao đến rung động

81

Hình 4.28b Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến rung động

81

Hình 4.28c Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến rung động

82

Hình 4.29 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số hệ thống công nghệ đến rung động

82


xiii

Hình 4.30 Mẫu SKD11 sau khi mài

83

Hình 4.30a Panme điện tử 293-241

83

Hình 4.30b Thước cặp điện tử 500-196-30

83

Hình 4.30c Đồng hồ bấm giờ Hanhart

83

Hình 4.31a Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi lượng chạy dao đến năng suất gia
công
Hình 4.31b Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến năng suất gia công

84
85

Hình 4.31c Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến năng suất gia
công

85

Hình 4.32 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số hệ thống công nghệ đến năng suất

86

Hình 4.33 Mẫu thí nghiệm kiểm chứng

87

Hình 4.34 Sửa đá

88

Hình 4.35 Gia công mặt chuẩn

88

Hình 4.36 Pan me điện tử: MOC-25P

89

Hình 4.37 Máy đo 3 tọa độ: BYD-504

90

Hình 4.38 Máy đo độ nhám bề mặt Hommel T1000

91

Hình 4.39 Đồ thị biểu diễn kết quả phân tích Taguchi xám

95


xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Ký hiệu tương đương của thép SKD11 các nước

8

Bảng 1.2 Thành phần cơ bản của thép SKD11

8

Bảng 1.3 Các tính chất cơ lý của thép SKD11

8

Bảng 1.4 Thông số của đá mài

11

Bảng 3.1 Các thông số thí nghiệm thực hiện về: vật liệu gia công, vận
tốc cắt, lượng tiến đá, chiều sâu cắt

40

Bảng 4.1 Ma trận trực giao (OA)

57

Bảng 4.2 Ma trận L9

58

Bảng 4.3 Thông số chung của đá mài

62

Bảng 4.4 Thông số chung của đá mài thí nghiệm

62

Bảng 4.5 Giá trị thông số hệ thống công nghệ

64

Bảng 4.6 Ma trận thực nghiệm theo phương pháp Taguchi

65

Bảng 4.7 Dữ liệu đo và kết quả tính toán sai lệch độ phẳng

66

Bảng 4.8 Phân tích phương sai ANOVA sai lệch độ phẳng

66

Bảng 4.9 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu độ nhám

69

Bảng 4.10 Phân tích phương sai ANOVA số liệu độ nhám

69

Bảng 4.11 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu lực cắt

73

Bảng 4.12 Phân tích phương sai ANOVA cho lực cắt P (N)

73

Bảng 4.13 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu nhiệt cắt

76

Bảng 4.14 Phân tích phương sai ANOVA nhiệt cắt

77

Bảng 4.15 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu rung động

80

Bảng 4.16 Phân tích phương sai ANOVA rung động

81

Bảng 4.17 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu năng suất

83

Bảng 4.18 Phân tích phương sai ANOVA năng suất

84

Bảng 4.19 Tổng hợp bộ thông số tối ưu cục bộ theo chỉ tiêu riêng biệt

86

Bảng 4.20 Giá trị thông số công nghệ kiểm chứng

87

Bảng 4.21 Kết quả sai lệch kích thước về chiều cao

89

Bảng 4.22 Kết quả đo sai lệch về độ phẳng

90

Bảng 4.23 Kết quả đo sai lệch về độ song song

91

Bảng 4.24 Kết quả đo độ nhám bề mặt

91

Bảng 4.25 Số liệu thực nghiệm ban đầu cho Tối ưu hóa đa mục tiêu

92

Bảng 4.26 Kết quả phân tích quan hệ mờ

93

Bảng 4.27 Mảng trực giao với quan hệ mờ

94

Bảng 4.28 Kết quả phân tích Taguchi xám

94


1

MỞ ĐẦU
Lý do lựa chọn đề tài
Mục tiêu của công nghệ chế tạo sản phẩm cơ khí hiện đại là nâng cao độ chính xác và
năng suất gia công, giảm lượng dư gia công, từ đó giảm được giá thành của sản phẩm. Với xu
hướng này, song song với việc đầu tư nghiên cứu để tối ưu quá trình gia công cắt gọt, nghiên
cứu tối ưu thông số hình học dụng cụ cắt là một hướng đi khả thi và có hiệu quả cao. Với ý
nghĩa này, đá mài xẻ rãnh - một cải tiến của đá mài truyền thống đã được các nhà khoa học
nghiên cứu nhằm khắc phục các nhược điểm của đá mài truyền thống như: năng lượng tiêu
hao lớn, khả năng thoát phoi kém, lực cắt và nhiệt cắt quá trình gia công lớn gây ảnh hưởng
đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công và năng suất gia công.
Đã có rất nhiều các nghiên cứu về mài theo hai hướng hàn lâm và thử nghiệm. Đáng chú
ý, thị trường về mài đã tiêu tốn hàng tỷ đồng vào năm 2015 và có tối đa 15.000 các bài báo và
tạp chí về vấn đề này [27]. Tác giả Eiji nghiên cứu về lý thuyết quá trình gia công vật liệu và
gia công bằng hạt mài [20] đã phân tích cho thấy: lực sinh ra khi mài là một thông số quan
trọng để đánh giá khả năng cắt gia công của đá. Tác giả Xiaorui Fan and Michele H.
Miller[21] [22]đã nghiên cứu và phân tích về khả năng giảm lực cắt và mòn của đá mài có bề
mặt làm việc gián đoạn. Tác giả V.G.Guses[36]đã chỉ ra được ảnh hưởng của số gián đoạn
trên bề mặt làm việc của đá cũng như các sai số về kích thước dưới tác dụng của sự mất cân
bằng đá. Tác giả D. X. Jin and Z. Meng[18] nghiên cứu đã cho thấy lực mài của đá mài xẻ
rãnh giảm 30% so với đá mài thường trong khi chất lượng bề mặt được gia công không cải
thiện nhiều. Nghiên cứu này đã giải thích nguyên nhân giảm lực cắt là do chiều dài tiếp xúc
giữa đá mài và chi tiết gia công hơn nữa phoi dễ thoát ra ở khu vực cắt tại vị trí xẻ rãnh. Tác
giả T. Nguyen, L. C. Zhang[30] đã nghiên cứu các hiện tượng hạt mài sắp xếp bề mặt của đá
mài mang tính ngẫu nhiên, thậm chí cả mài mòn. Tính ngẫu nhiên này do quy trình sản xuất
như trộn hạt mài với chất kết dính, ép và thiêu kết. Điều này, có thể dẫn đến khó khăn khi giải

phóng lượng nhiệt sinh ra trong suốt quá trình mài, vì 60% dung dịch trơn nguội không thể
tiếp cận được khu vực cắt [5÷9]. Chính các khó khăn này là nguyên nhân dẫn đến hư hỏng bề
mặt (hạt mài mất khả năng tự mài sắc và phoi bị kẹt cứng ở lỗ xốp) [8] [9].
Để giảm tính ngẫu nhiên và cải thiện dung dịch trơn nguội vào vùng mài một cách có
hiệu quả, đá mài xẻ rãnh đã được nghiên cứu. Bằng cách xẻ rãnh, khu vực tiếp xúc giữa đá và
chi tiết được làm nguội ổn định có nghĩa là có thể can thiệp để giảm sự ngẫu nhiên của các hạt
mài trong quá trình mài.
Khả năng cắt của đá mài có thể xác định qua một số chỉ tiêu như: chất lượng chi tiết gia
công, lực cắt, nhiệt sinh ra khi mài, rung động, năng suất cắt… Trong các chỉ tiêu trên lực cắt


2

là chỉ tiêu cơ bản đặc trưng cho bản chất vật lý của quá trình mài, lực cắt ảnh hưởng lớn đến
sự mài mòn của đá, đến biến dạng đàn hồi và tiếp xúc của hệ thống công nghệ, đến rung động.
Còn nhiệt cắt là chỉ tiêu ảnh hưởng đến sai lệch kích thước do biến dạng nhiệt chi tiết gia
công. Có thể nói lực cắt và nhiệt cắt trong quá trình mài là chỉ tiêu cơ bản ảnh hưởng đến sai
lệch hình dạng kích thước.
Nâng cao khả năng cắt của đá mài là một trong những vấn đề rất quan trọng của chuyên
ngành công nghệ chế tạo máy nhằm tạo ra các sản phẩm, thiết bị, máy móc đạt độ chính xác
và tuổi thọ cao, đảm bảo hiệu quả kinh tế kỹ thuật.
Với những lý do như vậy đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ
rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu
SKD11 nhiệt luyện” làm đề tài Luận án tiến sĩ.
Mục đích nghiên cứu
- Đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi
mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện theo phương pháp Taguchi để xác định ảnh hưởng của
Vận tốc chạy dao dọc (Sd), chiều sâu cắt (t) và số lượng rãnh (Z) xẻ nghiêng trên mặt đá (chế
tạo tại Việt Nam) khi mài phẳng chi tiết từ thép SKD11 đã nhiệt luyện tới độ nhám, độ phẳng
bề mặt chi tiết gia công, sai lệch kích thước, độ song song, năng suất gia công và một số yếu

tố khác như nhiệt cắt, lực cắt, rung động.
- Xác định bộ thông số chế độ cắt tối ưu cục bộ theo các chỉ tiêu riêng biệt, chỉ tiêu tổng
hợp theo kết quả của bài toán tối ưu đa mục tiêu đáp ứng chất lượng chi tiết gia công và năng
suất gia công khi mài bằng đá mài xẻ rãnh trong điều kiện sản xuất thử nghiệm ở Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Bốn loại đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam và đá mài truyền thống.
- Vật liệu mài: SKD11 nhiệt luyện có độ cứng 58HRC
Phạm vi nghiên cứu: Phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, tiến hành
thực nghiệm với bốn loại đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm và đá mài truyền thống khi mài
phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tiếp cận: Kế thừa và phát triển từ kết quả nghiên cứu của các tác giả
nghiên cứu trong nước và trên thế giới.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bản chất vật lý trong quá trình mài, hệ thống, phương
pháp đo các thông số và quy hoạch thực nghiệm.
- Nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các bước:
+ Thiết kế thực nghiệm;


3

+ Tiến hành thực nghiệm;
+ Phân tích kết quả;
+ Xác định các thông số tối ưu;
+ Thực nghiệm kiểm chứng;
+ Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu.
Những đóng góp mới
- Đã nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ
Taguchi Grey để đánh giá ảnh hưởng của các thông số: Bước tiến dao dọc (Sd), chiều sâu cắt

(t) và số lượng rãnh (Z) xẻ nghiêng trên mặt đá (chế tạo tại Việt Nam) khi mài phẳng chi tiết
từ thép SKD11 đã nhiệt luyện tới độ nhám, độ phẳng bề mặt chi tiết gia công, sai lệch kích
thước, độ song song, năng suất gia công và một số yếu tố khác như nhiệt cắt, lực cắt, rung
động.
- Luận án đưa ra hướng dẫn về việc lựa chọn bộ thông số tối ưu đối với các chỉ tiêu riêng
biệt, bộ thông số đánh giá chỉ tiêu tổng hợp và tối ưu đa mục tiêu để nâng cao độ chính xác
gia công khi phẳng bằng đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam.
Cấu trúc của luận án
Luận án gồm các phần: Mở đầu, 4 chương, kết luận chung và phần phụ lục.
Chương 1: Tổng quan về mài phẳng và tình hình nghiên cứu nâng cao khả năng cắt của
đá mài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình mài phẳng.
Chương 3: Các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh.
Chương 4: Thực nghiệm, kết quả, phân tích và đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh
nghiêng thử nghiệm theo các chỉ tiêu xác định.
Kết luận và Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
- Luận án đã nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, sử dụng phương pháp
Taguchi để xác định quan hệ giữa bộ thông số: Bước tiến dao dọc (Sd), chiều sâu cắt (t) và số
lượng rãnh (Z) với các thông số đầu ra độ nhám, độ phẳng bề mặt chi tiết gia công, sai lệch
kích thước, độ song song, năng suất gia công và một số yếu tố khác như nhiệt cắt, lực cắt,
rung động khi mài phẳng chi tiết SKD11 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh nghiêng trên mặt
đá.
Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu tra cứu cho cán bộ công nghệ và cơ sở sản
xuất có sử dụng đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11


4

nhiệt luyện nhằm mục đích nâng cao chất lượng chi tiết gia công và năng suất gia công với
mức chi phí nhỏ nhất.
- Đưa ra phương pháp xác định bộ thông số tối ưu cục bộ theo, chỉ tiêu tổng hợp theo kết
quả của bài toán tối ưu đa mục tiêu bằng việc sử dụng thiết kế thực nghiệm Taguchi, phân tích
quan hệ Grey và phân tích phương sai (ANOVA) nhăm nâng cao chất lượng chi tiết gia công
và năng suất gia công khi mài bằng đá mài xẻ rãnh trong điều kiện sản xuất thử nghiệm ở Việt
nam.
- Đã đề xuất, xây dựng thành công nguyên lý, lựa chọn đồ gá, thuật toán, phần mềm và hệ
thống đo chiều cao, sai lệch về độ phẳng, sai lệch về độ song song, độ nhám bề mặt, lực cắt,
nhiệt sinh ra trong quá trình mài và năng suất mài với yêu cầu cao về độ chính xác gia công
của quá trình công nghệ với độ không đảm bảo đo và độ tin cậy cao của thiết bị và hệ thống
đo lường chính xác.


5

Chương 1
Tổng quan về mài phẳng và tình hình nghiên cứu nâng cao
khả năng cắt của đá mài
1.1 Tổng quan về mài phẳng
1.1.1 Giới thiệu về phương pháp mài
Mài là một phương pháp gia công kim loại được biết đến từ lâu. Tuy nhiên phải đến thế
kỷ XIX, khi xuất hiện máy mài và các vật liệu tổng hợp thì việc gia công bằng máy mài mới
có những phát triển nhảy vọt.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những loại vật liệu có tính năng
cơ học cao, khó gia công ngày càng được sử dụng khá rộng rãi. Những đòi hỏi về độ chính
xác và chất lượng gia công ngày một nâng cao thì phạm vi sử dụng của mài ngày càng được
mở rộng nhanh chóng hơn bất kỳ một dạng gia công nào khác.
Tỷ lệ máy mài trong tổng số máy cắt kim loại nói chung chiếm khoảng 30%, nhưng trong

một số ngành đặc biệt như chế tạo vòng bi thì máy mài chiếm đến 60%.
Hiện nay, mài không những chỉ được dùng trong các nguyên công gia công tinh, mà còn
dùng ngày càng nhiều ở các nguyên công gia công thô khi cần có năng suất và hiệu quả kinh
tế cao. Người ta đã dùng các phương pháp mài thô để gia công những chi tiết có trong lượng
125 tấn, lượng dư 6mm trên những máy mài cỡ lớn có công suất 205kW. Mỗi giờ có thể cắt
được (60-80m/s) và tốc độ quay của chi tiết lớn (360 m/ph). Trong những năm gần đây ở một
số nhà máy đã nâng tốc độ mài lên đến 120m/s và người ta đang tìm mọi biện pháp phấn đấu
để đưa tốc độ mài lên cao hơn nữa (khoảng 300m/s)[1].
Trong quá trình mài, quá trình cắt diễn ra liên tục trên bề mặt đá nhưng không phải tất cả
các hạt mài đều tham gia vào quá trình mài. Các hạt mài có lưỡi cắt không xác định, được
phân bố một cách ngẫu nhiên không theo quy luật và “hỗn độn” trên bề mặt làm việc của đá.
Do sự tiếp xúc, cào xước liên tục của các hạt mài lên bề mặt chi tiết gia công nên nhiệt cắt
sinh ra trong quá trình mài lớn, ảnh hưởng đến khả năng gia công của hạt mài và chất lượng
bề mặt của chi tiết gia công.
Mài phẳng được thực hiện theo hai phương pháp:
- Mài phẳng bằng mặt đầu đá
- Mài phẳng bằng đá mài hình trụ.
1.1.2 Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu
Phương pháp này cho năng suất cao, vì số lượng hạt mài đồng thời tham gia cắt nhiều
hơn. Tuy nhiên diện tích tiếp xúc giữa đá và bề mặt chi tiết gia công lớn, nhiệt cắt lớn, lực cắt
lớn hơn, khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và tưới dung dịch trơn nguội khó khăn hơn vì vậy dễ


6

gây biến dạng nhiệt, tạo ra vết cháy, vết nứt tế vi trên bề mặt vật mài. Nói chung độ chính xác
và độ nhẵn bề mặt đạt được thấp hơn khi mài bằng đá mài hình trụ.

Hình 1.1 Sơ đồ mài phẳng sử dụng mặt đầu đá [1]

1.1.3 Mài phẳng bằng đá mài hình trụ
Mài phẳng bằng đá mài hình trụ thực hiện trên máy mài phẳng có bàn máy chuyển động
tịnh tiến khứ hồi thực hiện tiến dao dọc Sd, đầu mang dao thực hiện chuyển động tịnh tiến dao
ngang Sn để mài hết chiều rộng chi tiết và tiến dao dọc Sdọc sau một lượt mài để mài hết lượng
dư gia công (Hình 1.2) hoặc thực hiện trên máy có bàn máy quay tròn quanh tâm của nó còn
đầu đá thực hiện chuyển động tiến dao ngang Sng và chuyển động tiến dao dọc Sd sau mỗi lượt
mài.

Hình 1.2 Sơ đồ mài phẳng bằng đá mài hình trụ [1]
So với phương pháp mài phẳng bằng mặt đầu đá, phương pháp này có diện tích tiếp xúc
giữa đá và chi tiết nhỏ, lượng hạt mài đồng thời tham gia vào quá trình cắt nhỏ, lượng nhiệt
toả ra trên bề mặt tiếp xúc giữa đá và phôi ít hơn. Mặt khác khả năng thoát nhiệt, thoát phoi
và tưới dung dịch trơn nguội vào vùng gia công dễ dàng hơn, có thể gia công được các chi tiết
mỏng, kém cứng vững, chi tiết yêu cầu gia công với độ chính xác cao do đó phương pháp này
cho độ chính xác, độ nhẵn bề mặt cao hơn phương pháp trên.
Tuy nhiên do diện tích tiếp xúc giữa đá và chi tiết nhỏ nên năng suất thấp. Để khắc phục
nhược điểm này người ta có thể sử dụng đá có bề rộng lớn hơn bề rộng chi tiết. Trong trường
hợp này đầu đá chỉ thực hiện tiến dao dọc Sd sau mỗi hành trình kép của bàn máy, tuy nhiên


7

máy phải đảm bảo độ cứng vững và phải sửa đá cẩn thận để tránh đầu đá bị côn hoặc đường
sinh đá không thẳng dễ gây ra sai số in dập trên bề mặt chi tiết gia công [1].
1.1.4 Đặc điểm của quá trình mài [1]
-Tốc độ cắt khi mài lớn, tiết diện phoi cắt ra bé
- Đá mài là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, gồm các hạt mài liên kết với nhau bằng chất
dính kết. Khi cắt, một số lớn hạt mài có hình dạng, vị trí hoàn toàn khác nhau cùng đồng thời
tham gia cắt. Các góc cắt khi mài không hợp lý: góc trước thường là góc âm và góc cắt
thường lớn hơn 900.

- Do tốc độ cắt cao và góc cắt lớn nên khi mài nhiệt độ rất cao (1000÷15000C).
- Dụng cụ mài có lưỡi cắt không liên tục: Các hạt mài nằm tách biệt trên bề mặt làm việc
của dụng cụ và cắt mỗi phoi riêng, do đó có thể xem quá trình mài như một quá trình cào
xước liên tục.
- Do không thể thay đổi được vị trí và hình dạng hình học của hạt mài trong đá mài nên
việc điều khiển quá trình mài rất khó khăn.
- Trong quá trình mài, đá mài có khả năng tự mài sắc một phần.
Bên cạnh các đặc điểm trên, khi gia công mài do tốc độ cắt cao, góc cắt lớn, góc trước
âm nên mài có nhược điểm như: lực cắt và nhiệt cắt khi mài lớn, khả năng thoát phoi kém nên
làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể và biến đổi các tính chất cơ lý của lớp vật liệu bề mặt
gây ra hiện tượng cháy, nứt tế vi và ứng suất dư bề mặt.
Để khắc phục các nhược điểm nêu trên, một trong những hướng nghiên cứu đã được áp
dụng trên thế giới và hiện đang được quan tâm nghiên cứu tại Việt Nam là: Nghiên cứu, thiết
kế và tối ưu hóa hình dáng hình học của đá mài truyền thống nhằm giảm lực và nhiệt cắt mà
vẫn đảm bảo được năng suất và chất lượng chi tiết gia công trong khi mài mà cụ thể ở đây là
xẻ rãnh trên đá mài truyền thống. Việc nghiên cứu, đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh
chế tạo tại Việt Nam đang là vấn đề rất cấp bách cần sự nghiên cứu của rất nhiều các nhà
khoa học để đưa đá mài xẻ rãnh chế tạo tại Việt Nam thành thương phẩm.

1.2 Đặc tính vật liệu có độ cứng cao
Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ứng dụng trong quốc phòng, an
ninh, ngành công nghiệp nặng, đặc biệt là ngành cơ khí đã sử dụng rất nhiều các loại vật liệu
độ cứng cao để chế tạo ra các sản phẩm theo yêu cầu sử dụng của mỗi ngành. Một trong các
loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất để làm khuôn nguội là vật liệu SKD11 nhiệt luyện với
độ cứng 58-60 HRC.
Một số nét đặc trưng về tính gia công của vật liệu SKD11 nhiệt luyện [3]


8

Vật liệu SKD11là mác thép ký hiệu theo tiêu chuẩn của Nhật JIS. Được dùng để chế tạo
khuôn dập nguội có tính chống mài mòn cao. Sau khi ram ở nhiệt độ 150oC – 2000C thép
SKD11 có độ cứng 58-60HRC.
Bảng 1.1 Ký hiệu tương đương của thép SKD11 các nước
Tiêu chuẩn

TCVN

ГOCT

SAE

JIS

Ký hiệu

160Cr12Mo

X12M

D2

SKD11

Bảng 1.2 Thành phần cơ bản của thép SKD11
Nguyên tố
%

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

1.34÷0.65 0.15 ÷0.4 0.3÷0.6
1111,0 ÷12.5 0.25÷0.4 0.4÷0.8

Va
0.15÷0.3

Bảng 1.3 Các tính chất cơ lý của thép SKD11 JIS
Nhiệt độ Khối lượng riêng
o
C
kg/dm3
20
7,70

Nhiệt dung riêng Điện trở suất Môđun đàn hồi Độ dẫn nhiệt
Ohm.mm2/m
N/mm2
J/kg.K
W/m.K
460

0,65

193.103

40,9.103

200

7,65

-

-

188.103

50,4.103

400

7,60

-

-

173.103

55,2.103

Nhiệt độ hóa lỏng: 1370 ÷ 14000C

1.3 Tình hình nghiên cứu về đá mài gián đoạn trên thế giới và trong
nước
Ở các nước có nền gia công cơ khí phát triển như Nhật Bản, Mỹ, Nga, Ấn độ… việc
nghiên cứu nâng cao khả năng cắt của đá mài đã được rất nhiều các nhà khoa học nghiên cứu
và thí nghiệm. Trong đó, các nhà khoa học và các nhà sản xuất tập trung nghiên cứu kết cấu
của đá sao cho hợp lý nhất khi gia công. Việc thay đổi này nhằm mục đích giảm tối đa việc
sắp xếp ngẫu nhiên của các hạt mài tham gia ở vùng cắt.
1.3.1 Nghiên cứu đá mài gián đoạn hay đá mài xẻ rãnh trên thế giới
Tác giả Hao Nan Li, Dragos Axinte [27] đã tổng hợp được sự phát triển của đá mài gián
đoạn của rất nhiều tác giả trên thế giới từ những năm 1925 đến năm 2015. Vào năm 1925 đến
năm 1970, một số khái niệm đơn giản về giảm số lượng hạt mài ở vùng tiếp xúc được đề xuất
do các tác giả đã tìm thấy cháy trên bề mặt và vết mòn của đá mài do nhiệt cục bộ gây ra [32].
[39]. Bằng việc xẻ rãnh trên bề mặt của đá đã làm nhiệt độ khi cắt giảm đáng kể [31]. Xuất
phát từ việc khắc phục các nhược điểm của đá mài tròn thường là nhiệt cắt và lực cắt trong
quá trình mài lớn. Các nhà khoa học và các học giả trên thế giới ban đầu đã nghiên cứu việc
giảm nhiệt cắt bằng cách gắn các thanh mài lên bề mặt đá mài. Những nghiên cứu này, bước
đầu đã đặt nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn.
Trong quá trình gia công, tốc độ đá, tốc độ chi tiết càng lớn thì chiều sâu cắt càng lớn do đó


9

hiệu quả mài càng cao. Cùng với điều này, nhiệt mài càng tăng đặc biệt với các loại vật liệu
khó cắt (hệ số dẫn nhiệt thấp) thì càng khó mài. Như vậy, ở giai đoạn này đá mài xẻ rãnh chủ
yếu cải tiến ở hiện tượng làm mát khu vực mài với mục đích cung cấp dung dịch trơn nguội
vào khu vực cắt.
Theo các bằng sáng chế của tác giả[37] [38] đã nghiên cứu việc gắn các thanh mài lên đĩa

mài. Các thanh mài có các hình dạng khác nhau như: hình lăng trụ, lục giác, vòng cung, lập
phương, và các hình dạng khác được dính kết hoặc bắt vít lên trên bề mặt đá (Hình 1.4).

Hình 1.3 Đá mài gián đoạn với các thanh mài (a) hình lăng trụ (b) hình lục giác[37][38]

Hình 1.4 Một số hình dạng cơ bản của đá mài (a) bàn cờ, so le, chéo, và hình V và (b) so le, chéo,
đối xứng và song song;(c) có khoảng cách cắt chân (d) hình côn[26]

Tác giả J.C. Aurich, B. Kirsch[23] cũng cho thấy đá mài xẻ rãnh có khả năng giảm nhiệt
tốt hơn so với các đá mài thường dưới các điều kiện gia công cụ thể. Vấn đề này được tác giả
giải thích như sau:
Đối với đá mài thường, quá trình gia công được thực hiện liên tục trên bề mặt đá, số
lượng lưỡi cắt tham gia quá trình cắt lớn nên số lượng phoi mài tạo ra trong quá trình cắt cũng
lớn. Các phoi mài không được đẩy ra ngoài vùng cắt sẽ tích tụ lại nhanh chóng tại các lỗ trống


10

giữa các hạt mài. Sự tiếp cận của chất làm mát khi mài với đá mài thường gần như chỉ thực
hiện ở đầu vùng mài, mà hầu như không có sự tác động trực tiếp vào khu vực mài để làm sạch
bề mặt và cuốn phoi mài ra ngoài. Điều này càng làm tăng sự tích tụ của phoi, dẫn đến làm tắc
nghẽn các lỗ xốp trên bề mặt đá mài. Các hạt mài gần như bị bít lại bởi các đám phoi và mất
đi khả năng tự mài sắc. Kết quả là dẫn đến hiện tượng cùn, bết đá. Đây là nguyên nhân khiến
cho các hạt mài mất đi khả năng cắt, giảm hiệu quả bóc tách vật liệu.
Do hình dạng đá mài xẻ rãnh có 2 vùng là vùng làm việc và vùng không làm việc. Khi gia
công tại vùng làm việc, thời gian tiếp xúc giữa đá và chi tiết giảm xuống còn tại vùng không
tiếp xúc trở thành bể chứa dung dịch trơn nguội dùng để bôi trơn cho vùng làm việc tiếp theo,
ngoài ra tại đây vùng không gian chứa phoi cũng được mở rộng làm cho chất lượng chi tiết bề
mặt gia công cũng được cải thiện.

Hình 1.5 Sự tạo thành áp lực chất làm mát trước vùng tiếp xúc trong quá trình mài cho các bánh mài
tiêu chuẩn (trái) và có khe (phải)

Hình dạng của đá mài xẻ rãnh được các nhà khoa học và các học giả trên thế giới nghiên
cứu là các loại đá có gắn các thanh mài lên trên đĩa mài.

Hình 1.6 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh trên thế giới nghiên cứu[27]
1.3.2 Đá mài xẻ rãnh do Việt Nam đang nghiên cứu
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các nhà khoa học của Việt Nam cũng
đã nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm của đá mài truyền thống. Có thể nói, đây là bước
tiến đáng kể trong việc cải thiện hình dáng của đá mài truyền thống, đã có rất nhiều các công


11

trình nghiên cứu của các học giả trong nước đã đề cập đến loại đá mài xẻ rãnh và cũng đưa ra
được các kết luận về tính ưu việt của loại đá mài này so với đá mài truyền. Cụ thể như: tác giả
Nguyễn Tiến Đông, Nguyễn Thị Phương Giang đã nghiên cứu về chất lượng bề mặt chi tiết
khi mài vật liệu thép C45 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh [8], khả năng giảm lực cắt khi gia
công vật liệu ceramic sử dụng đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn [9] và khả năng gia công
của hạt mài khi gia công bằng đá mài xẻ rãnh đối với vật liệu thép C45 có độ cứng khác nhau
[10]. Tác giả Nguyễn Công Hồng Phong đã nghiên cứu và thiết lập quan hệ của nhiệt độ khi
mài với chất lượng chi tiết gia công khi mài thép SKD61 bằng đá mài xẻ rãnh [5]. Tác giả
Ngô Thị Hà đã đánh giá được khả năng cắt gọt của hạt mài khi mài phẳng dùng đá mài có bề
mặt gián đoạn rãnh thẳng [4]. Tác giả Trần Văn Thiện đã đánh giá được ưu điểm về khả năng
cắt của đá mài có bề mặt làm việc không liên tục khi gia công vật liệu nhôm so với đá truyền
thống [13].
Có thể thấy, các nghiên cứu nêu trên đều dừng ở việc tìm ra được các quan hệ toán học
dựa trên một chỉ tiêu nào đó theo phương pháp hồi quy mà chưa có một công trình nghiên cứu
nào đề cập đến vấn đề tối ưu hóa các mục tiêu khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện theo

phương pháp Taguchi và phân tích ANOVA. Việc xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu cục
bộ có ý nghĩa rất lớn nhằm khắc phục những khó khăn trong việc điều khiển thích nghi quá
trình mài phẳng với mục đích kiểm soát được chất lượng sản phẩm và năng suất gia công khi
mài bằng đá mài gián đoạn, một loại đá đang được nghiên cứu hiện nay tại Việt Nam.
Những viên đá mài xẻ rãnh thử nghiệm đầu tiên đã được sản xuất tại công ty đá mài Hải
Dương. Thông số của đá mài được mô tả như trong bảng 1.4, cụ thể như sau:
Bảng 1.4 Thông số của đá mài
Đặc tính của đá
- Vật liệu hạt mài là hạt Corundun nâu

Hình dạng của đá
- Đường kính trong d:
127 mm

- Độ hạt thuộc nhóm trung bình: 46 (355 ÷ 425 - Đường kính ngoài D:
µm)

- Chiều rộng đá B:

350 mm
40 mm

- Cấu trúc đá: Cấp 6, tỷ lệ thể tích vật liệu hạt - Số rãnh gián đoạn Z: 18, 20, 22, 24
mài 50 %
- Chất kết dính: Gốm
- Độ cứng đá: MV2
- Giới hạn tốc độ theo độ bền của đá: 35m/s

- Kích thước rãnh gián đoạn WxH: 10x5 mm