Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay

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

NGUYỄN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ
ĐẾN MÒN ĐÁ VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI MÀI ĐỊNH
HÌNH RÃNH TRÒN XOAY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2018


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

Nguyễn Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ
ĐẾN MÒN ĐÁ VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA CHI TIẾT KHI MÀI
ĐỊNH HÌNH RÃNH TRÒN XOAY

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. VŨ TOÀN THẮNG
2. PGS.TS. NGUYỄN VIẾT TIẾP

Hà Nội – 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Những nội
dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo
đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách
trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các kết quả này chưa có tác
giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.

Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh


LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, góp ý và
chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể Thầy hướng dẫn PGS.TS
Vũ Toàn Thắng, PGS.TS Nguyễn Viết Tiếp, các Thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành được luận án.
Tôi cũng xin chân thành biết ơn sâu sắc tới Quý Thầy Cô Bộ môn Công nghệ chế tạo
máy và Bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang Học đã chỉ bảo và cho tôi những ý kiến bổ ích,
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em công tác tại Bộ môn Công nghệ chế tạo máy
và Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang Học, tập thể NCS tại Bộ môn đã chia sẻ cũng như
tạo điều kiện giúp tôi.

Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty cổ phần Cơ khí Phổ Yên đã giúp đỡ tôi trong quá
trình thực nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kinh tế Kỹ thuật Công
nghiệp, Ban lãnh đạo Khoa Cơ khí đã tạo điều kiện về chế độ, thời gian, công việc giúp tôi
hoàn thành nhiệm vụ.
Cuối cùng xin cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã chia sẻ, động viên giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, Ngày … tháng … năm 2018
Tác giả luận án

Nguyễn Anh Tuấn


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ............................................................................................................................ I
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... IV
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................................V
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. IX
MỞ ĐẦU...............................................................................................................................1
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án .........................................................................................1
2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ........................................2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................................2
4. Những đóng góp mới .......................................................................................................3
5. Cấu trúc của luận án .......................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀI ĐỊNH HÌNH ........................................................5
1.1. Đặc điểm chung của quá trình mài định hình ...........................................................5
1.2. Các phương pháp mài định hình.................................................................................8
1.3. Các đại lượng đặc trưng của quá trình mài định hình rãnh tròn xoay .................12
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ..............................................................14

1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..........................................................................15
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ...........................................................................23
1.5. Xác định nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .............................................................29
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ..................................................................................................30
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG
NGHỆ ĐẾN MÒN ĐÁ VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI MÀI ĐỊNH
HÌNH RÃNH TRÒN XOAY ............................................................................................31
2.1. Tổng quan về mối quan hệ giữa các đại lượng trong quá trình mài định hình rãnh
tròn xoay .............................................................................................................................31
2.2. Chất lượng bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay ...............................31
2.2.1. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn
xoay....................................................................................................................................31
2.2.2. Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết khi
mài định hình rãnh tròn xoay ...........................................................................................33
2.2.3. Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ ô van của chi tiết khi mài
định hình rãnh tròn xoay ..................................................................................................37
I


2.3. Mòn đá và tuổi bền của đá mài khi mài định hình rãnh tròn xoay .......................46
2.3.1. Bản chất và cơ chế của quá trình mòn đá khi mài định hình rãnh tròn xoay .......46
2.3.2. Sửa đá khi mài định hình rãnh tròn xoay ...............................................................48
2.3.3. Tuổi bền của đá mài khi mài định hình rãnh tròn xoay.........................................50
2.3.4. Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến mòn đá khi mài định hình rãnh tròn
xoay ....................................................................................................................................50
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..................................................................................................54
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ...............................................55
3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm ................................................................................55
3.1.1. Sơ đồ thực nghiệm ..................................................................................................55
3.1.2. Các đại lượng đầu vào............................................................................................56

3.1.3. Các đại lượng đầu ra ..............................................................................................56
3.1.4. Các đại lượng cố định.............................................................................................57
3.1.5. Các đại lượng nhiễu................................................................................................57
3.2. Điều kiện thực nghiệm ...............................................................................................57
3.2.1. Máy mài định hình ..................................................................................................57
3.2.2. Phôi thực nghiệm ....................................................................................................60
3.2.3. Đá mài .....................................................................................................................61
3.3. Các thiết bị đo .............................................................................................................61
3.4. Thiết kế, chế tạo hệ thống đo khí nén để đo mòn đá khi mài định hình rãnh lăn
vòng trong ổ bi ...................................................................................................................63
3.4.1. Nguyên lý của phương pháp đo mòn đá bằng hệ đo khí nén.................................63
3.4.2. Tính toán thiết kế hệ đầu đo khí nén để đo mòn đá khi mài định hình rãnh lăn vòng
trong ổ bi ...........................................................................................................................69
3.4.3. Xây dựng đường đặc tính động của hệ thống đo khí nén ......................................75
3.4.4. Đặc điểm của dòng khí nén xung quanh đá mài đang quay khi mài định hình rãnh
lăn vòng trong ổ bi ............................................................................................................81
3.4.5. Giải pháp thu nhận và xử lý tín hiệu đo để đo trực tuyến độ mòn của đá mài khi
mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi............................................................................83
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ..................................................................................................93

II


CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN MÒN ĐÁ, CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA CHI TIẾT KHI MÀI
ĐỊNH HÌNH RÃNH TRÒN XOAY...................................................................................94
4.1. Xác định phương pháp tiến hành thực nghiệm .......................................................94
4.2. Thực nghiệm kiểm chứng khả năng làm việc của hệ thống thí nghiệm ................94
4.2.1. Trình tự các bước tiến hành thí nghiệm .................................................................94
4.2.2. Kết quả thực nghiệm ...............................................................................................97

4.3. Thực nghiệm thăm dò đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến mòn
đá và chất lượng bề mặt của chi tiết ..............................................................................101
4.4. Thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa chế độ công nghệ với mòn đá và chất
lượng bề mặt của chi tiết .................................................................................................106
4.4.1. Xác định mối quan hệ giữa chế độ công nghệ và lượng mòn đá ........................108
4.4.2. Xác định mối quan hệ giữa chế độ công nghệ và độ nhám bề mặt chi tiết .........114
4.4.3. Xác định mối quan hệ giữa chế độ công nghệ và độ ô van của chi tiết ..............117
4.5. Ứng dụng giải thuật di truyền để xác định chế độ công nghệ tối ưu và thời điểm
sửa đá hợp lý ....................................................................................................................122
4.5.1. Xây dựng bài toán tối ưu khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208 ......122
4.5.2. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208
trên máy mài 3MK136B ..................................................................................................126
4.6. Ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài vào thực tiễn sản xuất .........................131
4.6.1. Thiết kế hệ thống giám sát độ nhám bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh lăn tròn
xoay..................................................................................................................................131
4.6.2. Thực nghiệm đánh giá khả năng giám sát độ nhám bề mặt chi tiết của hệ
thống ................................................................................................................................135
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................................138
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU .............................................139
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................140
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .........................144
PHỤ LỤC ……………………………………………………………………………………

III


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải nội dung

Đơn vị

Vs

Tốc độ của đá mài

m/s

Vw

Tốc độ của chi tiết

m/ph

ds

Đường kính đá mài

mm

dw

Đường kính chi tiết

mm

Shk

Lượng chạy dao hướng kính

m/s

t

Chiều sâu cắt

m

lc

Độ dài cung tiếp xúc

mm

Ft

Lực cắt tiếp tuyến

N

Fn

Lực cắt pháp tuyến

N

Fa

Lực cắt dọc trục

N

Ra

Sai lệch profin trung bình cộng

m

Hz

Lượng mòn của đá mài

m

O

Độ ô van

m

GA

Giải thuật di truyền

HTCN

Hệ thống công nghệ

GSTT

Giám sát trực tuyến

ĐKTN

Điều khiển thích nghi

NST

Nhiễm sắc thể

IV


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ mài định hình rãnh lăn vòng trong và vòng ngoài ổ bi cầu ......................... 5
Hình 1.2. Bản chất quá trình cắt của đá mài khi mài định hình ............................................ 5
Hình 1.3. Phân bố hạt mài trên bề mặt đá và cơ hội tham gia cắt của chúng ........................ 6
Hình 1.4. Các thông số hình học của lưỡi cắt đá mài ............................................................ 6
Hình 1.5. Sơ đồ biểu diễn ba giai đoạn hình thành phoi mài ................................................ 7
Hình 1.6. Các chuyển động cắt của một số phương pháp mài định hình .............................. 8
Hình 1.7. Sơ đồ mài định hình rãnh lăn vòng bạc trong vòng bi cầu .................................... 9
Hình 1.8. Sơ đồ mài định hình rãnh lăn vòng bạc ngoài vòng bi cầu.................................. 10
Hình 1.9. Sơ đồ mài định hình tiến dao ngang trên máy mài phẳng ................................... 10
Hình 1.10. Sơ đồ mài định hình bề mặt trụ trên máy mài tròn ngoài .................................. 11
Hình 1.11. Sơ đồ mài định hình bề mặt trụ và mặt đầu trên máy mài tròn ngoài ............... 11
Hình 1.12. Sơ đồ các lực tác dụng lên phôi khi mài định hình vô tâm chi tiết rãnh lăn vòng
trong ổ bi cầu định vị trên các giá đỡ cố định ..................................................................... 16
Hình 1.13. Các thông số đặc trưng trong mài tiến dao nghiêng trên máy mài tròn ngoài ... 17
Hình 1.14. Sơ đồ các lực tác động lên phôi khi mài định hình vô tâm chi tiết rãnh lăn vòng

bạc ổ bi cầu định vị trên các giá đỡ cố định ........................................................................ 17
Hình 1.15. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm mài định hình trên máy mài phẳng để đánh giá khả
năng cắt gọt của đá mài CBN .............................................................................................. 20
Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý và hệ thống thí nghiệm đo diện tích mòn phẳng của đá bằng máy
ảnh CCD camera.................................................................................................................. 20
Hình 1.17. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đo mòn đá khi mài phẳng bằng cách sử dụng một micromet
không khí để đo sự thay đổi vận tốc của luồng không khí xung quanh đá mài đang quay ....... 21
Hình 1.18. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đo mòn đá khi mài phẳng bằng cách sử dụng một ống
Pilot để đo sự thay đổi vận tốc của luồng không khí xung quanh đá mài đang quay ............... 21
Hình 1.19. Sơ đồ nguyên lý đo mòn đá khi mài phẳng bằng hệ đầu đo khí nén ................. 21
Hình 1.20. Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết với thành phần lực tiếp tuyến riêng ..... 22
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý đo mòn đá bằng đầu đo laze trên máy mài tròn ngoài ............ 24
Hình 1.22. Đồ thị quan hệ giữa tuổi bền của đá mài với chế độ công nghệ mài ................. 24
Hình 1.23. Đồ thị quan hệ giữa độ nhám Ra với chế độ công nghệ mài tại thời điểm t=1 phút....24
Hình 1.24. Sơ đồ nguyên lý và kết cấu hệ thống đo mòn đá mài bằng đầu đo khí nén trên
máy mài phẳng .................................................................................................................... 25
Hình 1.25. Hình ảnh hệ thống đo mòn đá mài bằng đầu đo khí nén trên máy mài phẳng ..... 26
Hình 1.26. Sơ đồ đo lượng mòn của đá mài khi mài phẳng bằng mặt trụ của đá................ 26
Hình 1.27. Hệ thống giám sát mòn đá và cảnh báo online giới hạn sửa đá khi mài phẳng.... 27
Hình 2.1 Mô hình tổng quát của quá trình mài định hình rãnh tròn xoay ...........................31
Hình 2.2. Profin bề mặt chi tiết sau khi mài định hình ........................................................ 32
Hình 2.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ngang đến độ nhám bề mặt của chi tiết khi mài
định hình rãnh tròn xoay...................................................................................................... 33

V


Hình 2.4. Ảnh hưởng của thời gian mài tới độ nhám bề mặt .............................................. 35
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến các đại lượng đặc trưng của quá trình mài và kết quả
mài ....................................................................................................................................... 36

Hình 2.6. Sơ đồ gá đặt khi mài vô tâm với bước tiến ngang ............................................... 38
Hình 2.7. Mài định hình vô tâm trên hai giá đỡ cố định ..................................................... 41
Hình 2.8. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt trong một vòng quay đến sai lệch độ tròn khi mài định
hình tròn ngoài ...................................................................................................................... 44
Hình 2.9. Ảnh hưởng của lượng dư mài và độ lệch của tâm phôi so với tâm cực từ đến độ ô
van và độ đa cạnh của chi tiết khi mài định hình vô tâm trên 2 giá đỡ ............................... 44
Hình 2.10. Ảnh hưởng của phương pháp gá đặt phôi và số chi tiết mài đến sai lệch độ tròn
của chi tiết khi mài định hình .............................................................................................. 45
Hình 2.11. Các dạng mòn của đá mài .................................................................................. 47
Hình 2.12. Các lưỡi cắt và vết nứt tế vi được hình thành do sửa đá ................................... 48
Hình 2.13. Kết cấu cụm sửa đá mài có biên dạng tròn xoay trên máy mài định hình đường
lăn 3MK136B ...................................................................................................................... 49
Hình 2.14. Mối quan hệ giữa lượng mòn của đá với thời gian cắt ...................................... 51
Hình 2.15. Ảnh hưởng của tốc độ chạy dao và chiều sâu cắt đến các đại lượng đặc trưng của
quá trình mài định hình........................................................................................................ 52
Hình 2.16. Thể tích cắt trong một đơn vị thời gian ảnh hưởng đến các dạng mòn và tốc độ
mòn .................................................................................................................................52
Hình 3.1. Sơ đồ thực nghiệm ...............................................................................................55
Hình 3.2. Sơ đồ động học của máy mài định hình đường lăn 3MK136B ........................... 58
Hình 3.3. Đồ thị chu trình làm việc của máy mài định hình đường lăn 3MK136B ............ 59
Hình 3.4. Sơ đồ quá trình mài 30 chi tiết trong một chu trình trên máy mài định hình đường
lăn 3MK136B ...................................................................................................................... 60
Hình 3.5. Bản vẽ thể hiện các yêu cầu kỹ thuật của nguyên công mài tinh rãnh lăn vòng
trong ổ bi 6208 .................................................................................................................... 60
Hình 3.6. Máy đo độ nhám SJ400 ....................................................................................... 61
Hình 3.7. Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý kết cấu thiết bị kiểu D022 để đo đường kính rãnh lăn
và khoảng cách từ rãnh lăn đến mặt đầu của vòng trong ổ bi cầu ....................................... 62
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đo mòn đá bằng hệ đầu đo khí nén .............. 63
Hình 3.9. Kết cấu mạch khí của hệ thống đo khí nén .......................................................... 64
Hình 3.10. Kết cấu mạch điện tương đương với mạch khí của hệ thống đo khí nén .......... 64

Hình 3.11. Đường đặc tính của chuyển đổi khí nén ............................................................ 67
Hình 3.12. Sơ đồ hệ thống đo khí nén ................................................................................. 69
Hình 3.13. Kết cấu của đột thắt d1 ....................................................................................... 72
Hình 3.14. Kết cấu của đầu đo d2 ........................................................................................ 72
Hình 3.15. Kết cấu của hệ đo khí nén.................................................................................. 73
Hình 3.16. Sơ đồ hệ thống đo khí nén để đo mòn đá tại 2 điểm khác nhau trên biên dạng
cung cong làm việc của đá mài khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi cầu ................ 74

VI


Hình 3.17. Hình ảnh thực tế của hệ thống đo khí nén sau khi được gá lắp lên trên máy mài
định hình đường lăn 3MK136B ........................................................................................... 76
Hình 3.18. Sơ đồ và đồ họa 3D của hệ thống thí nghiệm đo mòn đá khi mài định hình rãnh
lăn vòng trong ổ bi 6208 ...................................................................................................... 77
Hình 3.19. Đường đặc tính động của hệ đo khí nén trên toàn miền từ 0÷4 bar sau khi
được gắn lên trên máy mài đo mòn tại điểm đỉnh và điểm mép của biên dạng cung cong
đá mài ........................................................................................................................ 80
Hình 3.20. Đường đặc tính động của hệ đo khí nén trên miền làm việc thực của đầu đo sau
khi được gắn lên trên máy mài đo mòn tại điểm đỉnh và điểm mép của biên dạng cung cong
đá mài .................................................................................................................................. 80
Hình 3.21. Hình ảnh mô tả dòng khí chảy xung quanh một viên đá mài đang quay........... 81
Hình 3.22. Sự thay đổi áp suất của buồng đo trong quá trình mài một chi tiết ................... 82
Hình 3.23. Sơ đồ kết cấu của hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu đo trực tuyến lượng mòn
đá mài khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi ứng dụng hệ thống đo khí nén............. 84
Hình 3.24. Khung truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và module ADS1256 ........................ 85
Hình 3.25. Cấu hình module ADS1256 sử dụng 2 đầu vào analog ..................................... 86
Hình 3.26. Hình ảnh sơ đồ đấu dây vi điều khiển STM32F4 với ADC .............................. 87
Hình 3.27. Sơ đồ khối lấy dữ liệu ........................................................................................ 88
Hình 3.28. Xây dựng đường đặc tuyến giữa áp suất và điện áp analog dựa trên phương pháp

nội suy theo từng đoạn giá trị thực nghiệm ......................................................................... 89
Hình 3.29. Hình ảnh và sơ đồ hệ thống thí nghiệm để xây dựng phương trình đặc tính giữa
giá trị điện áp analog và giá trị áp suất của cảm biến SEU-31 ............................................ 90
Hình 3.30. Sơ đồ thuật toán chương trình xử lý dữ liệu đo mòn đá khi mài định hình rãnh lăn
vòng trong ổ bi ..................................................................................................................... 91
Hình 3.31. Giao diện của hệ thống phần mềm được thiết kế .............................................. 92
Hình 4.1. Sơ đồ, hình ảnh và đồ họa 3D của hệ thống đo khí nén trong thí nghiệm để đo trực
tuyến lượng mòn đá khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208 ............................... 95
Hình 4.2. Giao diện phần mềm sau khi mài 30 chi tiết đối với cả hai hệ đầu đo đo mòn ở
mép và ở đỉnh của biên dạng cung cong đá mài .................................................................. 98
Hình 4.3. Các đồ thị thể hiện sự thay đổi áp suất buồng đo ở mỗi hệ đầu đo theo thời gian
mài thực tế ........................................................................................................................... 98
Hình 4.4. Các đồ thị thể hiện sự thay đổi lượng mòn của đá mài ở mỗi hệ đầu đo theo số chi
tiết mài thực tế ..................................................................................................................... 99
Hình 4.5. Sự phân bố lượng bóc tách kim loại ở các điểm khác nhau trên bề mặt cung cong làm
việc của đá mài ................................................................................................................... 100
Hình 4.6. Sơ đồ phân bố độ ô van của đường kính đáy rãnh lăn theo số chi tiết mài ứng với
bộ thông số chế độ công nghệ thứ nhất ............................................................................. 102
Hình 4.7. Sơ đồ phân bố độ nhám bề mặt ở mép biên dạng rãnh lăn theo số chi tiết mài ứng
với bộ thông số chế độ công nghệ thứ nhất ....................................................................... 102
Hình 4.8. Sơ đồ phân bố lượng mòn ở mép biên dạng cung cong làm việc của đá mài theo số chi
tiết mài ứng với bộ thông số chế độ công nghệ thứ nhất ...................................................... 103
VII


Hình 4.9. Sơ đồ phân bố miền dung sai độ chính xác gia công và mòn đá theo số chi tiết mài
ứng với bộ thông số chế độ công nghệ thứ nhất ................................................................ 103
Hình 4.10. Sơ đồ phân bố miền dung sai độ chính xác gia công và mòn đá theo số chi tiết
mài ứng với bộ thông số chế độ công nghệ thứ hai ........................................................... 104
Hình 4.11. Sơ đồ phân bố miền dung sai độ chính xác gia công và mòn đá theo số chi tiết

mài ứng với bộ thông số chế độ công nghệ thứ ba ............................................................ 104
Hình 4.12. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lượng mòn Hz với các biến vào Shk ,Vct ............ 120
Hình 4.13. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lượng mòn Hz với các biến vào Shk ,t ................ 120
Hình 4.14. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lượng mòn Hz với các biến vào Shk, Nct ............ 120
Hình 4.15. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa nhám bề mặt chi tiết Ra với các biến vào Shk,Vct .... 120
Hình 4.16. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa nhám bề mặt chi tiết Ra với các biến vào Shk, t . 121
Hình 4.17. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa nhám bề mặt chi tiết Ra với các biến vào Shk, Nct ... 121
Hình 4.18. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ ô van O với các biến vào Shk,Vct ................... 121
Hình 4.19. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ ô van O với các biến vào Shk,t ...................... 121
Hình 4.20. Sơ đồ các bước xây dựng bài toán tối ưu khi mài định hình rãnh lăn vòng trong
ổ bi 6208 ............................................................................................................................ 123
Hình 4.21. Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu chế độ công nghệ khi mài định hình ứng dụng giải
thuật di truyền .................................................................................................................... 128
Hình 4.22. Đồ thị kết quả tối ưu hóa chế độ công nghệ và thời điểm sửa đá bằng GA ứng với
lần chạy 1 ........................................................................................................................... 130
Hình 4.23. Đồ thị kết quả tối ưu hóa chế độ công nghệ và thời điểm sửa đá bằng GA ứng với
lần chạy 2 ........................................................................................................................... 130
Hình 4.24. Sơ đồ cấu trúc chung của một hệ thống giám sát trực tuyến ........................... 131
Hình 4.25. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển thích nghi ........................................ 132
Hình 4.26. Sơ đồ chức năng đề xuất cho hệ thống giám sát trực tuyến mòn đá và độ nhám
bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi ............................................... 132
Hình 4.27. Mô hình GSTT mòn đá và độ nhám bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh lăn
vòng trong ổ bi .................................................................................................................. 133
Hình 4.28. Xây dựng đường đặc tuyến giữa độ mòn của đá mài và độ nhám bề mặt chi tiết .... 134
Hình 4.29. Lưu đồ thuật toán chương trình xử lý dữ liệu.................................................. 134
Hình 4.30. Giao diện phần mềm sau khi mài 30 chi tiết đối với cả hai hệ đầu đo đo mòn ở
mép và ở đỉnh của biên dạng cung cong đá mài ................................................................ 135
Hình 4.31. Đồ thị thể hiện sự thay đổi giá trị áp suất buồng đo theo thời gian mài sau khi mài
30 chi tiết đối với cả hai hệ đầu đo đo mòn ở mép và ở đỉnh của biên dạng cung cong làm việc
đá mài................................................................................................................................. 136

Hình 4.32. Đồ thị thể hiện sự thay đổi lượng mòn đá mài ở mép và ở đỉnh của biên dạng
cung cong làm việc đá mài theo số chi tiết mài sau khi mài 30 chi tiết ............................ 137
Hình 4.33. Đồ thị thể hiện sự thay đổi trị số độ nhám bề mặt ở đáy và ở mép rãnh lăn theo
số chi tiết mài sau khi mài 30 chi tiết ................................................................................ 137

VIII


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của máy mài định hình đường lăn 3MK136B ....................... 57
Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của máy đo độ nhám SJ400 .................................................... 61
Bảng 3.3. Các thông số của đường đặc tính lý thuyết với các bộ thông số khác nhau của
đầu đo ..............................................................................................................................70
Bảng 3.4. Các đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất SEU-31-N ...................................... 78
Bảng 3.5. Các thông số thể hiện đặc tính kỹ thuật của đá mài ............................................ 78
Bảng 4.1. Ba bộ thông số chế độ công nghệ được sử dụng trong thí nghiệm thăm dò ..... 101
Bảng 4.2. Các mức thí nghiệm và khoảng thay đổi các thông số ...................................... 106
Bảng 4.3. Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm L81 (34) .................................................. 107
Bảng 4.4. Kết quả chạy chương trình xác định chế độ công nghệ tối ưu bằng GA .......... 130
Bảng 4.5. Kết quả giá trị lượng mòn đá Hz, độ nhám bề mặt chi tiết Ra, độ ô van đường kính
đáy rãnh lăn O và năng suất mài Q khi thực nghiệm với chế độ mài tối ưu ..................... 131

IX


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Mài là một trong những phương pháp gia công tinh chiếm một vị trí quan trọng trong
gia công cơ khí. Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp gia công này là khả
năng gia công được những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao, đạt được độ chính xác

và cấp độ nhám bề mặt cao. Trong tổng số các máy công cụ hiện đang sử dụng của ngành
chế tạo máy nói chung thì máy mài chiếm tới 30%, còn riêng trong ngành chế tạo ổ bi thì
máy mài chiếm đến 60% [19]. Đặc biệt mài định hình rãnh lăn tròn xoay là một trong những
nguyên công chính thường được áp dụng khi gia công chế tạo các chi tiết vòng bạc ổ bi. Do
đó, mài nói chung và mài định hình nói riêng là một trong những nguyên công quan trọng
nhất quyết định đến chất lượng sản phẩm.
Vì vậy, cho đến nay đã có nhiều các công trình nghiên cứu về mài được thực hiện
bởi các nhà khoa học ở các trường đại học, viện nghiên cứu và các doanh nghiệp trong
nước cũng như trên thế giới. Khi nghiên cứu về mài các nhà nghiên cứu tập trung giải
quyết các vấn đề liên quan đến máy mài, đá mài, chi tiết mài cũng như chế độ cắt khi
mài, nhiệt cắt khi mài và dung dịch tưới nguội. Tuy nhiên các nghiên cứu trước đây chủ
yếu thực hiện nghiên cứu với trường hợp mài phẳng hoặc mài tròn ngoài, mà chưa có
nhiều những nghiên cứu chuyên sâu đối với trường hợp mài định hình rãnh tròn xoay.
Trong khi mài định hình có những đặc điểm khác biệt so với các phương pháp mài thông
thường.
Khi thực hiện nguyên công mài định hình, do chiều dài tiếp xúc giữa đá mài và phôi
lớn nên lực cắt và nhiệt cắt sinh ra từ quá trình này lớn hơn nhiều so với các phương pháp
mài thông thường. Cùng với đó là lực ma sát rất lớn giữa đá mài với phôi, giữa phoi và đá
mài nên đá mài khi mài định hình bị mòn liên tục và không đều trên các tiết diện khác
nhau, làm cho hình dạng và độ chính xác ban đầu của đá mài rất nhanh bị thay đổi, dẫn
đến sai lệch của bề mặt gia công. Sau một khoảng thời gian gia công nhất định, khi đá mài
bị mòn quá một giới hạn cho phép thì cần thực hiện quá trình sửa đá. Việc sửa đá này nhằm
khôi phục khả năng cắt và khôi phục lại hình dạng ban đầu của đá mài. Tuy nhiên, vấn đề
quan trọng ở đây là cần xác định được thời điểm sửa đá hợp lý. Điều này sẽ quyết định đến
chất lượng bề mặt của chi tiết mài và tuổi bền của đá mài. Vì vậy, để nâng cao hiệu quả
kinh tế kỹ thuật của quá trình mài định hình rãnh tròn xoay thì cần phải đo được lượng
mòn của đá mài, đánh giá được ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ quan trọng đến
mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết mài, từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu và
thời điểm sửa đá hợp lý. Đây cũng chính là lý do mà đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của
một số yếu tố công nghệ đến mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài định hình

rãnh tròn xoay” đã được tôi lựa chọn làm đề tài luận án của mình.

1


2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
 Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài luận án: Xây dựng được bài toán tối ưu đa mục tiêu nhằm xác định
được chế độ công nghệ tối ưu và thời điểm sửa đá hợp lý để đảm bảo năng suất và chất lượng
bề mặt yêu cầu của chi tiết mài, trong khi lượng mòn của đá mài là nhỏ nhất, số lượng chi tiết
mài được trong một chu trình là lớn nhất.
 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là quá trình mài tinh định hình rãnh tròn xoay thực
nghiệm trên máy mài 3MK136B để mài rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208. Áp dụng hệ thống
đo khí nén để đo mòn đá nhằm phục vụ nghiên cứu xác định ảnh hưởng của một số yếu tố
công nghệ đến mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết mài. Trên cơ sở đó, thực hiện xác
định chế độ công nghệ tối ưu và thời điểm sửa đá hợp lý khi mài tinh định hình rãnh tròn
xoay.
 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở kế thừa kết quả nghiên cứu của các công trình đã công
bố ở trong nước và ngoài nước, kết hợp thực nghiệm kiểm chứng trên máy mài định hình
công nghiệp để mài rãnh lăn vòng trong ổ bi nhằm tối ưu hóa chế độ công nghệ để đạt được
chất lượng bề mặt của chi tiết và năng suất mài trong khi độ mòn đá là nhỏ nhất, số lượng
chi tiết mài được trong một chu trình là lớn nhất.
 Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ quan trọng đến
mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài tinh định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi
6208 trên máy mài định hình đường lăn 3MK136B với loại đá mài có ký hiệu là
500x8x203WA100xLV60, vật liệu gia công là thép ổ lăn SUJ2 có độ cứng sau khi nhiệt
luyện bằng 60 ÷ 65 HRC.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
- Đề tài đã xây dựng được phương trình toán học đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố
công nghệ quan trọng đến mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài tinh định hình rãnh
lăn vòng trong ổ bi 6208. Từ đó, xây dựng và giải được bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho
quá trình mài tinh định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208 trên máy mài định hình đường lăn
3MK136B để vừa đảm bảo năng suất gia công và chất lượng bề mặt của chi tiết mài trong khi
lượng mòn của đá mài là nhỏ nhất, số chi tiết mài được trong một chu trình mài là lớn nhất.
- Đề tài đã xây dựng được hệ thống đo khí nén với phần mềm thu nhận xử lý tín hiệu
đo để giám sát trực tuyến lượng mòn đá mài khi mài tinh định hình rãnh lăn tròn xoay trong
điều kiện mài ướt với độ phân giải 1µm trên cơ sở các điều kiện công nghệ gia công cơ khí
2


trong nước. Hệ thống xác định được trị số lượng mòn của đá mài tại hai vị trí khác nhau có
chênh lệch mòn lớn nhất trên biên dạng cung cong làm việc của đá mài định hình tròn xoay
sau mỗi lần mài xong một chi tiết hoặc sau mỗi lần sửa đá. Việc nghiên cứu ứng dụng thành
công phương pháp đo này có ý nghĩa khoa học giúp định hướng nghiên cứu thiết kế, chế tạo
thiết bị đo chính xác trong nước.
Ý nghĩa thực tiễn
- Đưa ra được bộ thông số chế độ công nghệ tối ưu (lượng chạy dao hướng kính Shk,
lượng dư mài t, vận tốc của chi tiết Vct) và thời điểm sửa đá hợp lý (số chi tiết mài trong một
chu trình Nct) để góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình mài tinh định
hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208 trên máy mài định hình đường lăn 3MK136B, đang được
áp dụng trong sản xuất.
- Thiết kế và chế tạo được một hệ thống đo khí nén để đo trực tuyến lượng mòn đá mài
khi mài tinh định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208 trong điều kiện mài ướt với độ phân
giải 1µm. Từ đó có thể so sánh giá trị lượng mòn này với lượng mòn giới hạn cho phép để
đưa ra tín hiệu cảnh báo sửa đá hợp lý hoặc hướng đến bù tự động lượng mòn của đá mài

góp phần điều khiển tối ưu hóa quá trình mài rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208.
- Kết quả của luận án làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu, đào tạo và định hướng
công nghệ cho sản xuất.

4. Những đóng góp mới
- Xây dựng được các phương trình toán học thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của
một số yếu tố công nghệ (lượng chạy dao hướng kính Shk, lượng dư mài t, vận tốc của chi tiết
Vct, số chi tiết mài trong một chu trình Nct) đến mòn đá, độ nhám bề mặt và độ ô van của đường
kính đáy rãnh lăn khi mài tinh định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208.
- Tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài tinh định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208
trên máy mài định hình đường lăn nhằm đảm bảo năng suất gia công, độ chính xác chi tiết
mài trong khi lượng mòn đá là nhỏ nhất, số chi tiết mài được trong một chu trình mài là lớn
nhất trên cơ sở ứng dụng giải thuật di truyền.
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo được một hệ thống đo khí nén để đo trực tuyến lượng
mòn đá mài khi mài tinh định hình rãnh lăn tròn xoay trong điều kiện mài ướt với độ phân
giải 1µm trên cơ sở các điều kiện công nghệ gia công cơ khí tại Việt Nam. Xây dựng được
đường đặc tính động của hệ đầu đo khí nén trong quá trình mài tinh định hình rãnh lăn tròn
xoay để kiểm tra và đối chiếu kết quả đo, góp phần đảm bảo độ chính xác của phép đo. Hệ
thống xác định được lượng mòn của đá mài sau mỗi lần sửa đá hoặc sau mỗi lần mài xong
một chi tiết, giảm thiểu được ảnh hưởng tiêu cực của phoi mài và dung dịch trơn nguội xuất
hiện trong quá trình mài đến kết quả đo.

3


5. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 4 chương, nội dung chính của từng chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về mài định hình
Nghiên cứu đặc điểm chung của quá trình mài định hình hình, phân tích đánh giá những
công trình nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến mài định

hình. Trên cơ sở đó xác định được những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải
quyết.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến mòn đá và
chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến mòn đá và
chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay. Từ đó, phân tích và lựa chọn
các yếu tố công nghệ quan trọng ảnh hưởng đến mòn đá, độ nhám bề mặt và độ ô van của
chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay. Kết quả nghiên cứu của chương làm cơ sở cho
nghiên cứu ở các chương sau.
Chương 3: Xây dựng hệ thống thí nghiệm
Xây dựng mô hình hệ thống thí nghiệm, phân tích lựa chọn các trang thiết bị thí nghiệm.
Đặc biệt, tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống đo khí nén để đo mòn đá khi mài định hình
rãnh tròn xoay. Xác định các yếu tố đầu vào và các yếu tố đầu ra trong thí nghiệm. Đây là
tiền đề quan trọng để thực hiện nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của một số yếu
tố công nghệ đến mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay.
Chương 4: Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến mòn đá
và chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay
Xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa một số yếu tố
công nghệ quan trọng (lượng chạy dao hướng kính Shk, vận tốc của chi tiết Vct, lượng dư mài
t, số chi tiết mài trong một chu trình Nct) với mòn đá, độ nhám bề mặt và độ ô van của chi
tiết. Từ đó, ứng dụng giải thuật di truyền GA để xác định chế độ công nghệ và thời điểm sửa
đá hợp lý khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208 trên máy mài định hình đường lăn
3MK136B.

4


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÀI ĐỊNH HÌNH
1.1. Đặc điểm chung của quá trình mài định hình

Khi mài bằng phương pháp mài định hình, profin của bề mặt gia công và bề mặt làm việc
của đá mài trùng khớp nhau. Trong quá trình mài do chuyển động chạy dao hướng kính (Shk)
mà đá ăn sâu vào chi tiết, kết hợp với chuyển động quay tròn của đá (nđ) và chuyển động quay
tròn của phôi (nct) thực hiện quá trình cắt gọt hết lượng dư cần gia công như trên hình 1.1.

( )

nd

L

X Shk

X1
X0

nct

Y

Y

X (Shk)

Hình 1.1. Sơ đồ mài định hình rãnh lăn vòng trong và vòng ngoài ổ bi cầu

Giống như các phương pháp mài thông thường khác, phương pháp mài định hình cũng
có một số đặc điểm tương tự như sau:
- Bản chất của quá trình mài định hình: Là quá trình cắt tế vi và cào xước với tốc độ
cắt cao của các hạt mài trên bề mặt chi tiết gia công, tạo ra nhiều phoi vụn như hình 1.2. Tốc

độ cắt khi mài rất cao, thông thường Vđ = 30 ÷ 35 m/s có trường hợp đến 100 m/s.

Góc trước âm

Phôi mài

a)

b)

Hình 1.2. Bản chất quá trình cắt của đá mài khi mài định hình
a. Mô hình quá trình cắt của đá mài khi mài định hình [36]
b. Quá trình cắt thực tế khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi

5


- Độ cứng của hạt mài: Độ cứng thường rất cao nên có thể cắt gọt được những vật liệu
cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không gia công được hoặc gia công rất khó khăn như thép
đã tôi, hợp kim cứng …
- Phần làm việc của đá mài định hình: Gồm nhiều lưỡi cắt của vô số các hạt mài riêng
biệt, có hình dáng khác nhau, phân bố một cách ngẫu nhiên trên bề mặt chất dính kết. Trong
đó, tất cả các hạt mài nhô ra khỏi chất dính kết được gọi là các lưỡi cắt tĩnh của đá mài. Tuy
nhiên không phải tất cả các lưỡi cắt tĩnh đều tham gia vào quá trình cắt. Khi mài chỉ một
phần lưỡi cắt có độ nhô cao trên bề mặt đá mài là tham gia vào quá trình cắt và các lưỡi cắt
này được gọi là lưỡi cắt động (như trên hình 1.3 các lưỡi cắt S2, S3, S5, S7, S8 là các lưỡi cắt
động). Số lượng và mật độ lưỡi cắt động về nguyên tắc nhỏ hơn so với lưỡi cắt tĩnh. Trong
quá trình mài, các lưỡi cắt động này sẽ lần lượt vào cắt ra cắt tạo ra các rung động. Do đó,
nhận thấy quá trình cắt khi mài có tính gián đoạn. Đặc biệt cùng một lúc, trong một thời gian
ngắn có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt và tạo ra nhiều phoi vụn.

Hình 1.3. Phân bố hạt mài trên bề mặt đá và cơ hội tham gia cắt của chúng [20]

- Hình dáng hình học của mỗi hạt mài: Các hạt mài thường có hình dáng hình học không
giống nhau, góc sắc thường lớn hơn 900, góc trước thường âm (γ < 0), do đó không thuận lợi
cho quá trình cắt và thoát phoi. Đồng thời do có nhiều hạt mài tham gia cắt gọt cùng một lúc
với vận tốc cắt rất lớn nên nhiệt cắt khi mài rất lớn. Nhiệt độ vùng cắt khi mài có thể lên tới
1000 ÷ 15000C, gây cháy phoi sinh tia lửa.







Hình 1.4. Các thông số hình học của lưỡi cắt đá mài [51]

- Tự mài sắc của đá mài: Nếu so với một mặt chuẩn thì đỉnh lưỡi cắt của các hạt mài
phân bố không đều theo chiều cao, dẫn đến lượng dư phân bố cho các hạt mài sẽ không đều.
Do đó lực cắt tác động lên các hạt mài sẽ không bằng nhau. Nếu lực cắt quá lớn sẽ có hiện
tượng hạt mài bị vỡ dẫn đến tạo ra các lưỡi cắt mới hoặc hạt mài bị bật ra khỏi bề mặt làm việc
của đá mài dẫn đến xuất hiện các hạt mài mới. Vì vậy, hiện tượng này sẽ tạo ra khả năng tự
mài sắc của đá mài [10].

6


- Lực cắt: Cũng giống như đối với trường hợp mài phẳng hoặc mài tròn ngoài, lực cắt
khi mài định hình thường được phân ra thành ba lực thành phần: lực hướng tâm Fn, lực tiếp
tuyến Ft và lực dọc trục Fa. Tuy nhiên lực dọc trục Fa thường rất nhỏ so với Fn, Ft nên có thể

bỏ qua. Ngoài ra, khi mài do chiều dày cắt nhỏ với bán kính ở đỉnh lưỡi cắt hạt mài và góc
cắt trước âm nên lực pháp tuyến Fn lớn hơn nhiều so với lực tiếp tuyến Ft. Trong đó chỉ có
thành phần lực tiếp tuyến Ft tạo ra hiệu quả cắt. Vì vậy để đánh giá hiệu quả cắt đôi khi sử
dụng hệ số μ là tỷ số lực giữa Ft và Fn (μ = Ft/Fn). Trong quá trình mài nói chung và mài định
hình nói riêng thì hệ số μ này có vai trò như hệ số ma sát [20]. Giá trị của μ càng lớn, nghĩa
là mặt đá càng nhám tức khả năng cắt càng cao.
- Các giai đoạn hình thành phoi mài: Trong quá trình mài định hình tồn tại 3 hiện tượng
- trượt (sliding), cào (plowing) và tạo phoi (chip-formation hay cutting). Các hiện tượng này
đồng thời xảy ra và phụ thuộc vào tương tác giữa hạt mài và vật liệu gia công. Khi chế độ cắt
hợp lý, đa số các hạt mài thực hiện đủ cả 3 quá trình, tương ứng với 3 giai đoạn cắt: khi mới
tiếp xúc thì trượt, sau đó là cào và cuối cùng mới tạo phoi (hình 1.5). Những hạt mài có điều
kiện cắt không thuận lợi (như trường hợp các hạt mài bị mòn ở đỉnh lưỡi cắt) thì chỉ xảy ra
giai đoạn 1 hoặc giai đoạn 2, hoặc cả giai đoạn 1 và giai đoạn 2 [20]. Trong quá trình mài luôn
mong muốn công để cắt là lớn nhất, công tiêu hao cho hiện tượng cày và trượt là nhỏ nhất. Vì
quá trình cắt (giai đoạn 3) sẽ tạo ra bề mặt gia công, trong khi quá trình cày và trượt sẽ ảnh
hưởng tới các đặc trưng của bề mặt vừa được hình thành.
Hạt mài

Hình 1.5. Sơ đồ biểu diễn ba giai đoạn hình thành phoi mài [20]
Tuy nhiên, ngoài những đặc điểm giống như các quá trình mài thông thường khác ở
trên thì khi mài định hình còn có những đặc tính riêng sau đây:
- Mòn đá: Khi mài định hình do chiều dài tiếp xúc giữa đá mài và phôi lớn, nên lực cắt
và nhiệt cắt sinh ra ở đây lớn hơn nhiều so với các phương pháp mài thông thường khác. Do
đó, đá mài khi mài định hình bị mòn liên tục và không đều trên các tiết diện khác nhau làm
cho hình dạng và độ chính xác ban đầu của đá mài rất nhanh bị thay đổi, dẫn đến sai lệch của
bề mặt gia công. Sự mài mòn của đá mài sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác về kích
thước, độ chính xác biên dạng của bề mặt chi tiết mài và độ nhám bề mặt của chi tiết gia công.
Vì vậy, trong quá trình mài định hình đá mài cần phải được sửa đá thường xuyên. Độ chính
xác đạt được của bề mặt gia công khi mài định hình có liên quan mật thiết với việc sửa đá
trong quá trình mài.

- Độ chính xác của chi tiết khi mài định hình: Trong phương pháp mài định hình, tất
cả những sai số hình dạng của đá do sửa đá lúc ban đầu hoặc do bị mòn trong quá trình mài
sẽ gây ra sai số trực tiếp của chi tiết mài [5]. Do đó, độ chính xác của các bề mặt gia công
7


trong quá trình mài định hình phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác tạo hình bề mặt đá mài
khi sửa đá. Vì vậy, ở những máy mài hiện đại đều có trang bị những bộ phận sửa đá tự động
theo chu kỳ mài và dừng theo cữ hành trình hoặc tín hiệu điều khiển trên máy.
- Sự thay đổi diện tích cắt: Khi mài bằng phương pháp mài định hình, diện tích cắt
luôn thay đổi làm cho lực cắt và nhiệt cắt thay đổi nên ảnh hưởng xấu đến quá trình gia công
(làm giảm độ chính xác gia công, giảm chất lượng bề mặt chi tiết, tăng độ mòn của đá mài
…). Do đó cần khống chế lực cắt, nhiệt cắt và giới hạn chúng trong phạm vi hợp lý để có thể
đạt năng suất gia công cao nhất mà vẫn đảm bảo độ chính xác gia công và độ nhám bề mặt
yêu cầu của chi tiết mài [8].
- Điều kiện mài: Khi mài định hình do nhiệt cắt và lực cắt trong vùng mài rất lớn nên
thường phải sử dụng các máy có độ cứng vững cao, công suất lớn. Đồng thời, dung dịch trơn
nguội được cấp vào vùng mài cần có lưu lượng đủ lớn với áp suất cao để giảm nhiệt độ tại
vùng cắt, tránh cho chi tiết không bị biến dạng nhiệt. Ngoài ra, việc cung cấp dung dịch trơn
nguội đầy đủ còn tạo điều kiện tốt để cuốn trôi các bột mài bị vỡ ra và phoi mài hình thành
trong quá trình mài ra khỏi vùng cắt. Điều này giúp bảo vệ điều kiện mài, tránh sự tương tác
giữa hạt mài và bề mặt phôi, tránh các phoi mài chèn ép vào các lỗ trống trên bề mặt đá mài
để tăng tuổi bền của đá mài và cấp độ nhám bề mặt của chi tiết mài [28, 49].
- Năng suất gia công: Khi mài định hình do đá mài thực hiện quá trình cắt đồng thời
trên toàn bộ chiều dài tiếp xúc giữa đá mài và phôi nên năng suất cắt khi mài định hình cao
hơn nhiều so với các phương pháp mài thông thường khác.

1.2. Các phương pháp mài định hình
Dựa vào các chuyển động chính trong quá trình mài thì mài định hình thường được chia
thành 4 phương pháp cơ bản sau: Mài định hình bề mặt tròn xoay ngoài, mài định hình lỗ, mài

định hình quay tròn và mài định hình trên máy mài phẳng như thể hiện trên hình 1.6 [13].

a)

b)

c)

d)

Hình 1.6. Các chuyển động cắt của một số phương pháp mài định hình [13]
a. Mài định hình bề mặt tròn xoay ngoài
b. Mài định hình lỗ
c. Mài định hình trên máy mài phẳng
d. Mài định hình quay tròn

Qua đó nhận thấy, với phương pháp mài này có thể gia công được các bề mặt định
hình có đường sinh là đường thẳng hoặc đường sinh là đường cong (các bề mặt định hình

8


tròn xoay ngoài và trong) trên các máy mài tròn ngoài, máy mài lỗ, máy mài phẳng, máy
mài định hình chuyên dùng … theo các sơ đồ cắt như sau:
- Sơ đồ mài định hình rãnh lăn vòng bạc trong vòng bi cầu (hình 1.7): Bản chất,
đây chính là sơ đồ mài vô tâm chạy dao ngang định vị chi tiết trên hai giá đỡ cố định. Trong
sơ đồ gia công ở đây, sử dụng chuẩn định vị là bề mặt rãnh lăn cần gia công và mặt đầu của
chi tiết vòng trong ổ bi, để giảm sai số gá đặt và đảm bảo vị trí tương quan giữa đường tâm
rãnh lăn với mặt đầu. Phôi mài sẽ được định vị vào đường lăn cần gia công nhờ hai chốt tỳ
đầu chỏm cầu số 1 và 2 hoặc một khối V ngắn (khống chế 2 bậc tự do). Do đó bề mặt chuẩn

lúc này trùng với bề mặt rãnh lăn cần gia công nên sai số chuẩn là nhỏ nhất. Ngoài ra, mặt
đầu của chi tiết gia công được định vị vào mặt đầu của cực từ số 3 (khống chế 3 bậc tự do)
nên đảm bảo được độ song song giữa đường tâm rãnh lăn với mặt đầu. Đồng thời phôi mài
được kẹp chặt nhờ lực hút từ trường qua cực từ số 3, cực từ được bắt chặt trên trục chính của
máy. Trục này sẽ truyền mô men xoắn cho chi tiết gia công. Chính vì vậy, quá trình định vị
và kẹp chặt chi tiết được thực hiện đơn giản và nhanh chóng. Đặc biệt chuyển động quay của
phôi không phụ thuộc vào độ đảo của trục chính và ảnh hưởng từ dao động đàn hồi của hệ
thống [53, 55, 56]. Do đó, phương pháp mài định hình vô tâm trên hai giá đỡ cố định giúp
nâng cao được năng suất gia công và đảm bảo độ chính xác của chi tiết mài.
nd

4

e
nct

3
2

1

3
2
shk

5

Hình 1.7. Sơ đồ mài định hình rãnh lăn vòng bạc trong vòng bi cầu [53, 55, 56]
1, 2: Chốt tỳ đầu chỏm cầu; 3: Cực từ; 4: Đá mài; 5: Chi tiết mài

Trong quá trình mài, chi tiết và đá mài quay xung quanh đường tâm theo hai hướng
khác nhau với tốc độ nct và nđ. Bàn máy mang phôi (bàn ụ vật) thực hiện chuyển động chạy
dao hướng kính Shk. Lực kẹp chi tiết vào các điểm tỳ được tạo ra từ sự lệch tâm giữa tâm chi
tiết so với tâm cực từ (độ lệch tâm e) [53, 55, 56].
- Sơ đồ mài định hình rãnh lăn vòng bạc ngoài vòng bi cầu (hình 1.8): Tương tự như
quá trình mài định hình rãnh lăn vòng bạc trong thì trong sơ đồ gia công này sử dụng chuẩn
định vị là bề mặt trụ ngoài và mặt đầu của vòng bạc ổ bi cầu. Bề mặt trụ ngoài của vòng bạc
được tỳ trên 2 chốt tỳ đầu chỏm cầu số 1 và số 3 (khống chế 2 bậc tự do) nên sẽ đảm bảo
được độ đồng tâm giữa bề mặt trụ ngoài với bề mặt rãnh lăn cần gia công của vòng bạc.
Ngoài ra mặt đầu của phôi mài được định vị vào mặt đầu của cực từ số 4 (khống chế 3 bậc
tự do) nên sẽ đảm bảo được độ song song giữa đường tâm rãnh lăn với mặt đầu. Đồng thời
chi tiết gia công số 5 được kẹp chặt nhờ lực hút từ trường qua cực từ số 4, cực từ được bắt
9


chặt trên trục chính của máy. Trục này truyền cho chi tiết mô men xoắn. Chính vì vậy, quá
trình định vị, kẹp chặt và tháo lắp chi tiết được thực hiện đơn giản và nhanh chóng. Điều này
sẽ giúp nâng cao được năng suất gia công mà vẫn giảm thiểu được sai số gá đặt [53, 55, 56].
2

ncuc tu

3

ndá

.

nct

e
1
4
5

z

Shk

Hình 1.8. Sơ đồ mài định hình rãnh lăn vòng bạc ngoài vòng bi cầu [53, 55, 56]
1, 3: Chốt tỳ đầu chỏm cầu; 2: Đá mài; 4: Cực từ; 5: Chi tiết mài

Trong quá trình mài, chi tiết và đá mài ở đây quay cùng một hướng với tốc độ nct và
nđá. Đá mài thực hiện chuyển động chạy dao hướng kính Shk. Lực kẹp chi tiết vào các điểm
tỳ được tạo ra từ sự lệch tâm giữa tâm chi tiết so với tâm cực từ (độ lệch tâm e) [55]. Bản
chất đây cũng là phương pháp mài định hình vô tâm định vị chi tiết trên hai giá đỡ cố định.
- Sơ đồ mài định hình trên máy mài phẳng (hình 1.9): Trong sơ đồ này, đá mài có biên
dạng giống như biên dạng của bề mặt chi tiết gia công. Sau khi sửa đá có biên dạng giống
như biên dạng của rãnh chi tiết cần mài thì đá mài thực hiện chuyển động quay xung quanh
tâm với tốc độ Vs và thực hiện chuyển động tiến theo phương thẳng đứng (ăn dao đứng) Sđ
để mài hết lượng dư gia công. Đồng thời bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động tịnh
tiến qua lại theo phương dọc của bàn máy với số hành trình kép Vw để mài hết chiều dài chi
tiết. Sơ đồ mài định hình trên máy mài phẳng này thường được ứng dụng để gia công các bề
mặt định hình của chi tiết có rãnh thẳng với biên dạng rãnh hình tròn, rãnh hình vuông hay
rãnh hình thang … mà yêu cầu độ chính xác cao.
Vs
Đá mài

Vs
Sđ

Phôi mài

Vw

Vw

Hình 1.9. Sơ đồ mài định hình tiến dao ngang trên máy mài phẳng [49, 53]

10


- Sơ đồ mài định hình bề mặt trụ trên máy mài tròn ngoài (hình 1.10): Về bản chất sơ
đồ trên tương ứng với phương pháp mài tròn ngoài ăn dao hướng kính. Trong sơ đồ này, đá
mài và phôi thực hiện chuyển động quay xung quanh đường tâm. Đồng thời đá mài thực hiện
chuyển động chạy dao ngang để cắt hết chiều dày lượng dư (Shk).

nđ

nct
Hình 1.10. Sơ đồ mài định hình bề mặt trụ trên máy mài tròn ngoài [53]

- Sơ đồ mài định hình bề mặt trụ và mặt đầu trên máy mài tròn ngoài (hình 1.11): Về
bản chất, sơ đồ mài định hình bề mặt trụ và mặt đầu trên máy mài tròn ngoài tương ứng với
phương pháp mài tròn ngoài tiến dao nghiêng. Trong sơ đồ này, trục của đá mài nằm nghiêng
một góc so với trục của chi tiết. Đá mài thực hiện chuyển động ăn dao theo phương vuông
góc với trục quay của nó.

nđ

nct

Hình 1.11. Sơ đồ mài định hình bề mặt trụ và mặt đầu trên máy mài tròn ngoài [53]

Nhận xét: Qua phân tích đặc điểm của quá trình mài định hình và các phương pháp
mài định hình ở trên nhận thấy mài định hình có khả năng gia công được nhiều dạng bề mặt
khác nhau cho năng suất cao. Do đó phương pháp mài định hình được ứng dụng tương đối
rộng rãi trong thực tế để gia công tinh các chi tiết có bề mặt định hình phức tạp đặc biệt là
những chi tiết làm bằng vật liệu có độ bền và độ cứng cao. Tuy nhiên, trong phạm vi đề tài
này chỉ tập trung nghiên cứu đối với trường hợp mài định hình rãnh tròn xoay như trường
hợp mài rãnh lăn vòng bạc của vòng bi. Với dạng bề mặt trên, chi tiết thường sẽ được mài
theo sơ đồ mài định hình vô tâm định vị chi tiết trên các giá đỡ cố định (như sơ đồ hình 1.7
và sơ đồ hình 1.8). Khi đó, để đảm bảo được độ chính xác gia công thì một trong những yêu

11


cầu đặt ra là máy cần phải có cơ cấu sửa đá định kỳ và phải xác định được thời điểm sửa đá
hợp lý khi gia công. Trong quá trình mài định hình rãnh tròn xoay, đá mài bị mòn liên tục
và không đều ở các điểm khác nhau trên bề mặt làm việc của đá. Dẫn đến sau một khoảng
thời gian mài nhất định, đá mài sẽ bị mất khả năng cắt gọt và hình dạng hình học ban đầu
của đá mài sẽ bị sai lệch. Do đó muốn đảm bảo độ chính xác của bề mặt gia công thì cần
phải tiến hành sửa đá định kỳ. Mặt khác để nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình
mài định hình thì cần phải xác định được các đại lượng đặc trưng trong quá trình mài định
hình, các thông số chế độ công nghệ tối ưu. Muốn vậy cần nắm được bản chất của quá trình
mòn đá mài. Đặc biệt cần xác định được mức độ ảnh hưởng của một số các yếu tố công nghệ
chính đến mòn đá và độ chính xác của chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay. Đây chính
là cơ sở để hướng đến tối ưu hóa quá trình mài định hình rãnh tròn xoay.

1.3. Các đại lượng đặc trưng của quá trình mài định hình rãnh tròn
xoay
Đặc trưng của quá trình mài định hình là vật liệu chi tiết được lấy đi liên tục do tác

động phối hợp của chuyển động cắt chính và chuyển động chạy dao. Trong đó, chuyển động
chạy dao có thể được thực hiện nhiều lần trong quá trình mài.
Trên hình 1.6 ở mục 1.2 thể hiện các chuyển động chính cũng như các đại lượng đặc
trưng của một số phương pháp mài định hình quan trọng. Đây chính là các đại lượng thường
dùng để so sánh các sơ đồ mài định hình khác nhau, giải thích các kết quả của quá trình mài
và đưa ra những đại lượng điều chỉnh thích hợp. Qua đó nhận thấy với phương pháp mài
định hình, các đại lượng đặc trưng này bao gồm:
 Tốc độ cắt chính là tốc độ quay của đá mài (Vđá hay Vs).
 Tốc độ của chi tiết (Vct hay Vw).
 Lượng chạy dao hướng kính (Shk hay fr).
 Lượng dư mài hay chiều dày tác động (ae hay t).
 Chiều rộng ăn dao (ap).
Tuy nhiên ngoài các đại lượng trên, một số các đại lượng đặc trưng khác sau đây cũng
thường được sử dụng để mô tả và đánh giá các sơ đồ mài định hình rãnh tròn xoay:
- Tương quan tốc độ (q): Là tỷ lệ giữa tốc độ của đá mài và tốc độ của chi tiết gia công.
Động học của quá trình mài sẽ thay đổi phụ thuộc vào tương quan tốc độ q [13].
q

Vs
Vw

(1.1)

- Thể tích cắt Vw: Là phần thể tích của chi tiết gia công bị cắt đi khi mài. Khi mài định
hình tròn xoay ngoài với lượng dư hướng kính là z/2 thì ta có [13]:
Vw   d w

z
bw
2

(1.2)

Trong đó: bw là chiều rộng đá mài.
- Thể tích cắt đi trong một đơn vị thời gian Qw: Là đại lượng đặc trưng cho năng suất trong
quá trình mài và được xác định theo công thức:

12