Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu chế độ công nghệ sửa đá, bôi trơn – làm nguội và xác định đường kính đá mài tối ưu khi thay đá để nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ

i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là hoàn toàn do bản
thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào (trừ những điểm
được trích dẫn).
Các kết quả tính toán (trừ những điểm được trích dẫn) đều được thực hiện
nghiêm túc, trung thực, không chỉnh sửa, không sao chép của bất kỳ nguồn nào.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 9 năm 2019
Tác giả luận án

Lê Xuân Hưng


ii
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lòng biết
ơn chân thành tới tập thể người hướng dẫn khoa học là những người thầy đã dành
nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí của
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án.
Để có được những kết quả như ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn sự
giúp đỡ nhiệt tình của cán bộ, công nhân của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí chính
xác Thái Hà và Công ty cổ phần Phụ tùng máy số 1 đã giúp đỡ tôi hoàn thành các
công việc liên quan đến thí nghiệm, thực nghiệm và đo đạc.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp
những người luôn bên cạnh tôi, đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận án.
Tác giả luận án

Lê Xuân Hưng


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT ................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................ x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... xiii
PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 1
Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 3
Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 3
Phạm vi nghiên cứu ………………………………………………………… 3
Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 3
Nội dung nghiên cứu.......................................................................................... 3
Những đóng góp mới ......................................................................................... 4
Cấu trúc của luận án........................................................................................... 4
Ý nghĩa của đề tài .............................................................................................. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI LỖ .............................................................. 5
1.1. Giới thiệu về mài lỗ. ........................................................................................ 5
1.1.1. Các sơ đồ mài lỗ ...................................................................................... 5
1.1.2. Trục mang đá của đá mài lỗ ..................................................................... 6
1.1.3. Vị trí và vai trò của nguyên công mài lỗ trong quy trình công nghệ ....... 8
1.2. Các đặc điểm của quá trình mài lỗ .................................................................. 9
1.2.1. Chiều dài cung tiếp xúc lk ........................................................................ 9
1.2.2. Chiều dày lớp cắt khi mài az .................................................................. 10
1.2.3. Đường kính tương đương của đá mài .................................................... 11

1.2.4. Quá trình tách phoi của hạt mài ............................................................. 11
1.2.5. Năng suất bóc tách của quá trình mài .................................................... 13
1.2.6. Lực trong quá trình mài ......................................................................... 14
1.3. Mòn đá và tuổi bền của đá mài ..................................................................... 16
1.3.1. Mòn đá mài ............................................................................................ 16
1.3.2. Tuổi bền của đá ...................................................................................... 18


iv
1.3.3. Chất lượng bề mặt sau mài. ................................................................... 20
1.3.4. Topography của đá mài ......................................................................... 22
1.4. Tổng quan các nghiên cứu về mài lỗ ............................................................ 23
1.4.1. Ảnh hưởng của bôi trơn làm nguội (BTLN) đến quá trình mài lỗ. ....... 24
1.4.2. Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến quá trình mài lỗ. ............................. 29
1.4.3. Ảnh hưởng của chế độ cắt và đá mài đến quá trình mài lỗ. .................. 33
1.4.4. Các mô hình tính toán chi phí trong gia công mài................................. 37
1.5. Kết luận chương 1 ......................................................................................... 41
Nhận xét ........................................................................................................... 41
Định hướng vấn đề nghiên cứu. ....................................................................... 41
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH MÀI LỖ VÀ
XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ........................................................... 43
2.1. Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ................................................. 43
2.1.1. Sơ đồ và cơ sở của nghiên cứu nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ ...... 43
2.1.2. Chọn thông số đầu vào .......................................................................... 44
2.1.3. Các tham số điều khiển được ................................................................. 45
2.1.4. Các tham số nhiễu .................................................................................. 45
2.1.5. Các thông số đầu ra................................................................................ 45
2.1.6. Các giải pháp nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ ................................. 46
2.2. Hệ thống thí nghiệm ...................................................................................... 47
2.3. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 50

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA CHẾ ĐỘ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI ĐẾN QUÁ TRÌNH MÀI LỖ ...... 51
3.1. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................... 52
3.2. Thiết kế thí nghiệm ....................................................................................... 52
3.3. Thực nghiệm và xử lý kết quả ....................................................................... 55
3.3.1. Với dầu Caltex Aquatex 3180 ............................................................... 55
3.3.2. Với dầu Emulsion .................................................................................. 57
3.4.3. Xác định chế độ bôi trơn – làm nguội hợp lý khi mài lỗ ....................... 60
3.5. Kết luận chương 3. ........................................................................................ 62
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA CHẾ ĐỘ SỬA ĐÁ ĐẾN QUÁ TRÌNH MÀI LỖ ....................................... 63


v
4.1. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................... 64
4.2. Thiết kế thí nghiệm ....................................................................................... 64
4.3. Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến nhám bề mặt và năng suất khi mài lỗ .... 69
4.3.1. Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 69
4.3.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm và tối ưu hóa đơn mục tiêu ................... 69
4.4. Tối ưu hóa đa mục tiêu.................................................................................. 79
4.5. Kết luận chương 4. ........................................................................................ 86
CHƯƠNG 5. XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH ĐÁ MÀI KHI THAY ĐÁ TRONG
GIA CÔNG MÀI LỖ.............................................................................................. 87
5.1. Phân tích chi phí cho quá trình mài lỗ .......................................................... 87
5.1.1. Tổng thời gian mài 01 chi tiết, tt ............................................................ 88
5.1.2. Chi phí cho máy Cm,h ............................................................................. 90
5.1.3. Chi phí cho con người và chi phí gián tiếp Cwa,h ................................... 90
5.1.4. Chi phí cho đá mài Cgw,p ........................................................................ 90
5.2. Ảnh hưởng của các thông số đến chi phí của quá trình mài lỗ ..................... 91
5.2.1. Mức độ ảnh hưởng ................................................................................. 93

5.2.2. Đặc điểm ảnh hưởng .............................................................................. 94
5.3. Đường kính thay đá hợp lý............................................................................ 96
5.3.1. Xác định đường kính thay đá hợp lý ..................................................... 96
5.3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đường kính thay đá hợp lý ............... 97
5.3.3. Mô hình hồi quy xác định đường kính đá mài khi thay hợp lý ........... 101
5.4. Kết luận chương 5 ....................................................................................... 102
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN.............. 104
Kết luận chung ................................................................................................... 104
Hướng nghiên cứu tiếp theo. .............................................................................. 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
................................................................................................................................ 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 108


vi
DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Ký hiệu
ANOVA

Ý nghĩa

Đơn vị

Phân tích phương sai (Analysis of Variance)

BTLN

Bôi trơn làm nguội

CCD

Dạng kế hoạch hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design)

MSD

Tổng bình phương trung bình của giá trị đo

LL

Lưu lượng dung dịch

NĐ

Nồng độ dung dịch

Stiff

Độ cứng vững trục mang đá

S/N

Tỷ số tín hiệu nhiễu (Signal-to-noise)

lít/phút
%

DANH MỤC KÝ HIỆU CHÍNH
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

Amt

Diện tích mà máy chiếm chỗ

m2

ae,tot

lượng dư gia công

mm

az

Chiều dày lớp cắt khi mài

mm

aed

Tổng chiều sâu sửa đá

mm

Đoạn chạy vượt quá khi mài

mm

Bgw

Chiều rộng đá mài

mm

Cm,h

chi phí cho máy theo giờ

VNĐ/h

Cwa,h

chi phí cho con người, quản lý theo giờ

VNĐ/h

Cmt,h

Chi phí cho máy, quản lý, con người theo giờ

VNĐ/h

Cgw

Giá thành viên đá mài

VNĐ/h

Cgw,p

Chi phí cho đá mài tính cho một chi tiết

VNĐ/h

Cmt,p

Chi phí cho máy, quản lý, con người theo chi tiết

VNĐ/h

Cmc,y

chi phí hệ thống gia công hàng năm

VNĐ/năm

Cin,y

Chi phí trả lãi ngân hàng hàng năm

VNĐ/năm

Cro,y

Chi phí cho nhà xưởng hàng năm

VNĐ/năm

Cma,y

Chi phí duy tu bảo dưỡng hàng năm

VNĐ/năm

a


vii
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

Cen,y

Chi phí cho năng lượng (điện) hàng năm

VNĐ/năm

Cen

giá điện

VNĐ/kWh

Cmc

Chi phí mua hệ thống gia công

Csqm

Chi phí nhà xưởng cho 1m2 trong 1 năm

CK

Số lần sửa đá siêu tinh

VNĐ
VNĐ/m2năm

D

Đường kính trục mang đá

mm

D0

Đường kính đá mài ban đầu

mm

De

Đường kính đá mài khi thay

mm

Dtd

Đường kính tương đương của đá mài

mm

Dgw

Đường kính đá mài

mm

dw

Đường kính chi tiết

mm

dw0

Đường kính chi tiết trước gia công

mm

dwe

Đường kính chi tiết sau gia công

mm
N/mm2

E

Modul đàn hồi của vật liệu làm trục mang đá

fa

Lượng chạy dao dọc

mm/phút

fr

Lượng chạy dao hướng kính

mm/htđ

k

Số nhân tố khảo sát nghiên cứu thực nghiệm

L

Chiều dài trục mang đá

mm

lk

Chiều dài cung tiếp xúc

mm

lw

Chiều dài chi tiết

mm

MRR

Năng suất của nguyên công mài

Nd

Số chi tiết mài được sau 1 lần sửa đá

Nw

Số chi tiết mài được của 1 viên đá

nsđ

Số lượt sửa đá

nthô, ntinh

Số lần sửa đá thô, sửa đá tinh

mm3/s

mm

nw

Tốc độ quay của chi tiết

vòng/phút

nđ

Tốc độ quay của đá mài

vòng/phút

nht

Tốc độ quay chuyển động hành tinh

vòng/phút

Px

Lực dọc trục

N

viii
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

Py

Lực pháp tuyến

N

Pz

Lực tiếp tuyến

N

Ptot

Công suất tổng thể của hệ thống gia công

kWh

Độ mòn đá

mg/m

Qw

Năng suất bóc tách vật liệu

mm3/s

Rld

Tỷ số lw/dw

Ra

Nhám bề mặt

m

rs

Bán kính lưỡi cắt

mm

Ssđ

Lượng chạy dao sửa đá

Srg

Cấp độ nhám

t

Chiều sâu cắt

mm

tsđ

Chiều sâu sửa đá

mm

Chiều sâu sửa đá thô, sửa đá tinh

mm

tw

Tuổi bền

phút

tt

Tổng thờ gian mài một chi tiết

giờ

td

Thời gian sửa đá

giờ

td,p

Thời gian sửa đá tính cho mài một chi tiết

giờ

tcw

Thời gian thay đá

giờ

tcw,p

Thời gian thay đá tính cho mài một chí tiết

giờ

tc

Thời gian cơ bản khi mài

giờ

tL

Thời gian thay chi tiết

giờ

ts

Thời gian mài hết hoa lửa

giờ

tg

Cấp chính xác chi tiết

q

tthô, ttinh

mm/phút

Tuse

Thời gian sửa dụng máy

giờ/năm

Ttot

Số năm khấu hao máy

năm

U

Độ mòn đá

m

Vct

Vận tốc chi tiết

Vđ

Vận tốc cắt

m/s

Vm

Thể tích vật liệu bị bóc đi

mm3

mm/phút


ix
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

Vm

Thể tích kim loại bị bóc tách

mm3

wpd

Lượng mòn đá mài sau mỗi chu kỳ tuổi bền

mm

α

Góc sau

độ



Tỷ số giữa đường kính đá mài khi thay chia cho đường kính đá
mài ban đầu



Tỷ số giữa đường kính lỗ chia cho đường kính đá mài ban đầu

x
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ mài lỗ có tâm ................................................................................... 5
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mài tròn trong vô tâm ..................................................... 5
Hình 1.3. Kết cấu trục mang đá của đá mài lỗ ........................................................... 6
Hình 1.4. Kết cấu gắn đá mài với trục mang đá ......................................................... 7
Hình 1.5. Các lựa chọn cho quá trình gia công tinh bề mặt lỗ .................................. 8
Hình 1.6. Chiều dài cung tiếp xúc của các phương pháp mài .................................. 10
Hình 1.7. Hình dạng hạt mài và phân tích lưỡi cắt................................................... 12
Hình 1.8. Quá trình tách phoi của hạt mài ............................................................... 12
Hình 1.9. Quá trình tạo phoi khi mài ....................................................................... 13
Hình 1.10. Lực cắt tác dụng lên hạt mài .................................................................. 14
Hình 1.11. Quan hệ Py – Pz ..................................................................................... 16
Hình 1.12. Các dạng của đá mài .............................................................................. 16
Hình 1.13. Các trạng thái mòn của đá mài .............................................................. 17
Hình 1.14. Sự biến đổi của lượng mòn, dạng mòn theo thời gian gia công ............ 17
Hình 1.15: Quá trình mòn của đá ............................................................................. 18
Hình 1.16. Sự hình thành độ nhám bề mặt khi mài .................................................. 20
Hình 1.17. Biên dạng của đá mài. ............................................................................ 23
Hình 1.18. Mô hình hóa quá trình mài .................................................................... 24
Hình 1.19. Hai dạng vòi phun dung dịch BTLN ..................................................... 25
Hình 1.20. Vị trí của vòi phun trong mài lỗ ............................................................ 25
Hình 1.21. Hệ thống BTLN của Nadolny ................................................................ 26
Hình 1.22. Ảnh hưởng của loại dung dịch BTLN và áp suất BTLN đến độ nhám bề
mặt mài .................................................................................................................... 26
Hình 1.23. Độ nhám bề mặt gia công khi mài lỗ 24,4 .......................................... 27
Hình 1.24. Lực mài (Py) khi bôi trơn tối thiểu có chất phụ gia vật liệu nano ......... 28
Hình 1.25. Độ nhám bề mặt (Ra) khi làm nguội tối thiểu có chất phụ gia nano ..... 28

Hình 1.26. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến độ nhám bề mặt mài ................ 28
Hình 1.27. Du ̣ng cu ̣ sửa đá kim cương ..................................................................... 30


xi
Hình 1.28. Biểu đồ Schmitt mô tả ảnh hưởng của tốc độ bóc tách và lượng tiến dao
khi mài lỗ đến nhám bề mặt .................................................................................... 30
Hình 1.29. Ảnh bề mặt của đá mài CBN trước (phải) và sau (trái) sửa đá ............. 31
Hình 1.30. Cách gá mũi sửa đá kim cương mô ̣t ha ̣t và ảnh hưởng tới ..................... 31
độ nhám bề mặt ........................................................................................................ 31
Hình 1.31: Sơ đồ thí nghiệm giám sát quá trình mài lỗ .......................................... 34
Hình 1.32. Phương pháp mài lỗ chạy dao dọc một lần chạy dao (single-pass) ...... 35
Hình 1.33. Biểu đồ chi phí cho quá trình mài ......................................................... 39
Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ................................................................. 43
Hình 2.2. Mô hình nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ ..................................... 46
Hình 2.3. Quan hệ giữa thời gian làm việc của đá mài với chi phí mài ................... 47
Hin
̀ h 2.4 Phôi thí nghiệm thép 90CrSi ..................................................................... 48
Hình 2.5. Hình ảnh máy đo nhám Mitutoyo SV-3100 ............................................. 48
Hình 2.6. Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX-6000 ......................................... 49
Hình 2.7: Đá mài ...................................................................................................... 49
Hin
̀ h 2.8: Mũi sửa đá kim cương .............................................................................. 50
Hình 3.1. Ảnh hưởng của các thông số BTLN tới các tham số và kết quả của quá
trình mài .................................................................................................................... 51
Hình 3.2. Sơ đồ thí nghiệm....................................................................................... 52
Hình 3.3. Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm .................................................................. 53
Hình 3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm khi sử dụng dung dịch Caltex Aquatex 3180
.................................................................................................................................. 56
Hình 3.5. Đồ thị bề mặt chỉ tiêu tối ưu hóa khi sử dụng dầu Caltex Aquatex 3180 57

Hình 3.6. Phân tích kết quả thí nghiệm khi sử dụng dung dịch Emulsion ............... 59
Hình 3.7. Đồ thị bề mặt chỉ tiêu khi tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion ......... 59
Hình 3.8. Số liệu kết quả tối ưu hóa sử dụng dung dịch Aquatex 3180 ................... 60
Hình 3.9. Đồ thị tối ưu hóa sử dụng dung dịch Aquatex 3180 ................................ 61
Hình 3.10. Số liệu kết quả tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion ........................ 61
Hình 3.11. Đồ thị tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion ...................................... 61
Hình 4.1. Mô hình quá trình sửa đá với phương pháp sửa đá tiếp xúc .................... 63
Hình 4.2. Sơ đồ thí nghiệm sửa đá ........................................................................... 64
Hình 4.3. Ảnh hưởng của các thông số đến Ra ........................................................ 71


xii
Hình 4.4. Ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của Ra.................................. 73
Hình 4.5. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá đến MRR trung bình ..... 76
Hình 4.6. Topography đá mài ................................................................................... 77
Hình 4.7. Ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của MRR ............................. 78
Hình 4.8. Đồ thị các ảnh hưởng chính của các thông số .......................................... 83
Hình 5.1. Đồ thị Pareto ảnh hưởng các thông số đến chi phí mài ............................ 93
Hình 5.2. Ảnh hưởng của các thông số đến chi phí gia công khi mài lỗ.................. 94
Hình 5.3. Mối quan hệ giữa đường kính đá mài khi thay với chi phí mài ............... 96
Hình 5.4. Khai báo biến thí nghiệm trong phần mềm Minitab ................................ 98
Hình 5.5. Đồ thị các ảnh hưởng chính đến De,op....................................................... 99
Hình 5.6. Đồ thị ảnh hưởng chung của các yếu tố ................................................. 100
Hình 5.7. Đồ thị Pareto của các yếu tố ảnh hưởng D0, Bw, aed, tg, Tw, Wpd, Cmh, Cwh,
Cgw, Rld đến Dop ...................................................................................................... 100


xiii
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Ưu điểm và nhược điểm của tiện cứng và mài khi gia công tinh bề mặt lỗ
.................................................................................................................................... 9
Bảng 1.2. Chế đô ̣ sửa đá với đầ u sửa đá kim cương của Winter ............................. 32
Bảng 1.3. Chế độ sửa đá khi mài lỗ sử dụng mũi sửa đá một hạt ............................ 33
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm 90CrSi .................................... 48
Bảng 3.1. Giá trị mã hóa tại các điểm thí nghiệm .................................................... 54
Bảng 3.2. Kết quả đo nhám bề mặt khi sử dụng dung dịch BTLN Caltex Aquatex
3180 .......................................................................................................................... 55
Bảng 3.3. Kết quả đo nhám bề mặt khi sử dụng dung dịch BTLN Emulsion .......... 58
Bảng 4.1. Mức và các thông số đầu vào ................................................................... 66
Bảng 4.2. Sơ đồ thí nghiệm theo thiết kế Taguchi L18 ............................................ 67
Bảng 4.3. Đặc trưng đầu ra cho các thông số ........................................................... 68
Bảng 4.4. Kết quả trị số độ nhám Ra, MRR và tỷ số S/N của chỉ tiêu. ................... 69
Bảng 4.5. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến trị số độ nhám trung bình ......... 70
Bảng 4.6. Phân tích ANOVA cho giá trị trị số độ nhám trung bình ........................ 70
Bảng 4.7. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của trị số độ nhám .... 72
Bảng 4.8. Phân tích ANOVA cho tỷ số S/N của trị số độ nhám .............................. 73
Bảng 4.9. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến MRR ........................................ 75
Bảng 4.10. Phân tích ANOVA cho tỷ số S/N của MRR .......................................... 75
Bảng 4.11. Trị số S/N, giá trị chuẩn hóa S/N Zij và giá trị tuyệt đối của sai lệch j(k)
.................................................................................................................................. 80
Bảng 4.12. Thể hiện trị số quan hệ xám ứng với các mục tiêu và trị số quan hệ xám
trung bình .................................................................................................................. 81
Bảng 4.13. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám ................ 82
Bảng 4.14. Kết quả phân tích hồi quy phương sai của trị số quan hệ xám .............. 84
Bảng 4.15. Kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm. .................................... 85


xiv
Bảng 5.1 Các nhân tố ảnh hưởng tới chi phí mài và các giá trị của chúng .............. 92

Bảng 5.2. Số liệu thí nghiệm và kết quả tính chi phí mài ........................................ 92
Bảng 5.3 Phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm .................................................... 97
Bảng 5.4. Giá trị các tham số khảo sát ảnh hưởng chi phí mài lỗ ............................ 98
Bảng 5.5. Kế hoạch thí nghiệm sàng lọc .................................................................. 98
Bảng 5.6. Thông tin mô hình hồi quy sau khi loại bỏ các yếu tố và tương tác có ảnh
hưởng yếu đến De,op. ............................................................................................... 102
Bảng 5.7. Bảng hệ số hồi quy được triết xuất từ Minitab ...................................... 102


1
PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Với sự tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật và công nghệ, sản phẩm cơ khí ngày nay
phải đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và năng suất. Trên thực tế,
đa số các nguyên công cuối trong quy trình công nghệ chế tạo chi tiết cơ khí là
nguyên công mài. Bởi vì, mài có thể gia công với chiều sâu cắt rất nhỏ, vận tốc cắt
lớn Thêm vào đó, độ chính xác và độ nhám bề mặt sau khi mài đạt rất cao (cấp
chính xác từ 5-7, nhám bề mặt từ 0,2-3,2 μm) [31, 35, 51]. Mài đặc biệt chiếm ưu
thế khi gia công tinh các chi tiết đã tôi cứng, các chi tiết có độ cứng, độ bền cao
vv… Chính nhờ các ưu điểm trên, mài được dùng rất phổ biến trong gia công cơ khí
để gia công tinh và bán tinh. Mài chiếm khoảng 20-25% [35] tổng chi phí cho gia
công cơ nói chung. Do đó, nâng cao hiệu quả cho quá trình mài – giảm chi phí cho
gia công mài mà vẫn đảm bảo độ chính xác gia công là một trong các hướng nghiên
cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm.
So với mài tròn ngoài và mài phẳng, quá trình mài lỗ (hay mài tròn trong)
được thực hiện trong điều kiện khó khăn, phức tạp hơn. Thứ nhất, không gian gia
công khi mài lỗ bị giới hạn bởi kích thước của chi tiết, đặc biệt khi mài lỗ nên dung
dịch bôi trơn - làm nguội (BTLN) khó tiếp cận vùng cắt nên việc thoát phoi và làm
nguội khó khăn. Thứ hai, đường kính đá mài nhỏ nên đường kính trục mang đá nhỏ.
Điều đó làm giảm độ cứng vững của trục mang đá mài, giảm vận tốc cắt và dẫn đến

giảm năng suất mài. Cũng do những khó khăn về điều kiện kỹ thuật như vậy nên
việc nghiên cứu quá trình mài lỗ cũng gặp nhiều khó khăn hơn. Do đó, mài lỗ ít
được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hơn mài tròn ngoài hay mài phẳng.
Để nâng cao hiệu quả cho quá trình mài lỗ, nhiều giải pháp được đề xuất nhằm
cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của quá trình như: sử dụng những loại đá mài
cao cấp (đá mài kim cương, đá mài CBN), mài cao tốc (tăng vận tốc cắt), tối ưu hóa
thông số quá trình (chế độ cắt, bôi trơn – làm nguội, sửa đá) và cải thiện điều kiện
bôi trơn – làm nguội. Trong đó, tối ưu hóa thông số quá trình mài được nhiều nhà
khoa học quan tâm, nghiên cứu vì nó vừa có thể cải thiện rõ rệt chỉ tiêu về kỹ thuật
đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả về kinh tế.


2
Trên thực tế, việc sử dụng dung dịch bôi trơn – làm nguội là biện pháp hiệu
quả nhằm làm giảm nhiệt, giảm mòn đá khi mài. Qua đó, năng suất và chất lượng
của quá trình mài được cải thiện [51]. Thêm vào đó, nghiên cứu trong [5] cho thấy
chế độ sửa đá có ảnh hưởng nhiều đến topography của đá và qua đó ảnh hưởng đến
khả năng cắt của nó. Trong gia công mài, vận tốc cắt của đá là nhân tố rất quan
trọng quyết định đến năng suất [31, 34, 35, 51] và giá thành quá trình gia công. Bên
cạnh đó, đường kính đá mài khi thay (hay tuổi thọ của đá mài) là nhân tố liên quan
trực tiếp vận tốc cắt của đá. Do đó, nó là nhân tố ảnh hưởng lớn tới chất lượng và
năng suất mài. Với các trường hợp máy mài có tốc độ trục đá không thay đổi được,
khi đá mài còn mới, đá có đường kính lớn nên vận tốc mài lớn sẽ cho năng suất mài
và chất lượng cao. Khi mòn, đường kính của đá mài giảm, vận tốc cắt giảm nên sẽ
làm giảm chất lượng và năng suất của quá trình mài. Vì vậy, sẽ tồn tại một giá trị
đường kính đá mài khi thay tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu của đá). Cho đến nay chưa có
nghiên cứu nào đề cập đến tuổi thọ (hay đường kính khi thay) tối ưu của đá mài khi
mài lỗ.
Thép 90CrSi là thép hợp kim dụng cụ có độ bền cơ học và tính chịu mài mòn
cao, thường được dùng để chế tạo khuôn, dụng cụ cắt có tốc độ cắt thấp và các chi

tiết đòi hỏi tuổi bền cao, có khả năng chịu mài mòn. Các cơ sở sản xuất chế tạo vật
tư cho máy của ngành dược ở miền Bắc nước ta thường sử dụng thép 90CrSi để chế
tạo các chi tiết đặc biệt là chày, cối dập thuốc. Công nghệ mài lỗ được áp dụng gia
công tinh lần cuối bề mặt lỗ cối dập thuốc viên nén. Mặc dù vậy, chất lượng bề mặt
cũng như năng suất của quá trình gia công còn chưa cao. Do vậy, những kết quả
nghiên cứu trong đề tài sẽ góp phần cung cấp những lời khuyên hợp lý nhằm nâng
cao hiệu quá trình gia công mài lỗ ở những cơ sở này.
Từ phân tích nêu trên ta thấy có thể nâng cao hiệu quả của quá trình mài (tăng
năng suất hay giảm chi phí mài) bằng việc thực hiện 3 giải pháp sau:
+) Xác định chế độ bôi trơn làm nguội hợp lý;
+) Xác định chế độ sửa đá hợp lý;
+) Xác định đường kính tối ưu khi thay đá hay tuổi thọ tối ưu của đá mài;
Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên đây là định hướng cho việc
chọn đề tài “Nghiên cứu chế độ công nghệ sửa đá, bôi trơn – làm nguội và xác
định đường kính đá mài tối ưu khi thay đá để nâng cao hiệu quả của quá trình
mài lỗ”


3
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là công nghệ mài lỗ, với đối tượng thực
nghiệm là thép 90CrSi qua tôi.
Mục tiêu nghiên cứu
- Giảm chi phí gia công, cải thiện độ nhám của bề mặt chi tiết gia công và
nâng cao năng suất mài.
- Bằng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, xác định chế độ bôi trơn làm
nguội, chế độ sửa đá hợp lý và đường kính thay đá mài hợp lý nhằm đạt nhám bề
mặt gia công nhỏ nhất, năng suất gia công cao nhất và chi phí mài nhỏ nhất góp
phần nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ chi tiết từ thép 90CrSi đã qua tôi.
Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tập trung nghiên cứu công nghệ mài lỗ chạy
dao dọc với vật liệu thép 90CrSi qua tôi.
Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng và xác định chế độ bôi trơn – làm
nguội hợp lý, chế độ sửa đá hợp lý và đường kính đá mài khi thay hợp lý để cải
thiện độ nhám bề mặt, giảm chi phí quá trình mài lỗ.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu kế hợp lý thuyết với thực nghiệm
Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích và tổng hợp cơ sở lý thuyết của công nghệ
mài lỗ, lý thuyết tính toán chi phí mài.
Nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông
số cũng như xác định các thông số hợp lý của chế độ bôi trơn làm nguội (BTLN),
sửa đá và đường kính đá khi thay trong gia công mài lỗ.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan quá trình mài lỗ.
Nghiên cứu ảnh hưởng của loại, chế độ BTLN, chế độ sửa đá đến nhám bề
mặt, năng suất mài.
Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán chi phí gia công quá trình mài lỗ và
ảnh hưởng của các nhân tố đến chi phí mài.
Nghiên cứu xác định đường kính đá mài khi thay đá trong gia công mài lỗ
(tuổi thọ hợp lý của đá mài).


4
Những đóng góp mới
Đã phân tích chi phí của nguyên công mài lỗ và nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số đến chi phí gia công.
Xây dựng mô hình xác định đường kính đá mài khi thay hợp lý (tuổi thọ hợp
lý) trong gia công mài lỗ và ảnh hưởng của các thông số đến đường kính đá mài khi
thay.
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng, xác định chế độ bôi trơn – làm nguội,

chế độ sửa đá với mài lỗ thép 90CrSi.
Cấu trúc của luận án
Luận án gồm các phần: Mở đầu, 5 chương, kết luận và phần phụ lục
Chương 1: Tổng quan về mài lỗ.
Chương 2: Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ và xây dựng hệ thống
thí nghiệm.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của chế độ bôi trơn –
làm nguội đến quá trình mài lỗ.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của chế độ sửa đá
đến quá trình mài lỗ
Chương 5: Xác định đường kính đá mài khi thay đá trong gia công mài lỗ.
Ý nghĩa của đề tài
Ý nghĩa khoa học
Nội dung luận án làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố của chế độ BTLN, chế độ
sửa đá đến độ nhám bề mặt và năng suất khi mài lỗ thép 90CrSi. Xây dựng mô hình
xác định chi phí quá trình mài lỗ, đề xuất công thức xác định đường kính đá mài tối
ưu khi thay đá. Đề tài đóng góp kết quả vào hướng nghiên cứu về mài lỗ, chi phí
mài đang dành được sự quan tâm của các nhà khoa học.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu xác định các biện pháp nâng cao hiệu quả của quá trình
mài lỗ nhằm nâng cao năng suất, giảm giá thành khi mài lỗ chi tiết thép 90CrSi. Kết
quả này có thể áp dụng vào quá trình gia công trong thực tế để gia công các sản
phẩm lỗ cối dập thuốc viên nén.


5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI LỖ
1.1. Giới thiệu về mài lỗ.
1.1.1. Các sơ đồ mài lỗ
Khi mài lỗ, với đường kính lỗ nhỏ hơn 50mm, đường kính đá mài bằng 0,7÷

0,9 đường kính lỗ cần mài [35]. Mài lỗ cũng được tiến hành bằng hai phương pháp
đó là mài có tâm (hình 1.1) và mài vô tâm (hình 1.2). Cụ thể trong nghiên cứu này
ta sẽ sử dụng phương pháp mài có tâm là phương pháp thường dùng và phổ biến
hơn cả.
Sn
n ht
Sn
n®

nw n ct

n®
Sd

Sd

a)

b)
Hình 1.1. Sơ đồ mài lỗ có tâm [1]
nw

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mài tròn trong vô tâm [1]
Mài lỗ có tâm có hai cách gá đặt chi tiết.
- Cách thứ nhất: chi tiết được kẹp chặt trên mâm cặp và quay tròn với tốc độ
nw (hình 1.1a). Trục đá quay (nđ) và thực hiện cả chuyển động chạy dao dọc hoặc
chuyển động chạy dao ngang (fa, fr). Phương pháp này thường dùng để mài chi tiết
nhỏ, các mặt tròn xoay, các vật dễ gá trên mâm cặp.

6
- Cách thứ hai: chi tiết đươc gá cố định trên bàn máy (hình 1.1b). Trục mang
đá thực hiện tất cả các chuyển động gồm: chuyển động quay tròn của đá (nđ),
chuyển động chạy dao dọc hoặc ngang (fa, fr) và chuyển động hành tinh (nht) của đá
xung quanh tâm lỗ gia công để cắt hết bề mặt chu vi lỗ. Thực chất chuyển động
hành tinh của đá ở cách thứ hai là thay cho chuyển động quay tròn của chi tiết gia
công của cách thứ nhất. Cách thứ hai này thuận tiện khi gia công các chi tiết lớn
như thân động cơ, các loại hộp, các chi tiết cồng kềnh.
1.1.2. Trục mang đá của đá mài lỗ
Trục mang đá (quill) có công dụng đưa đá mài tiếp cận đến vùng cắt. Do trục
chính của máy mài thường được thiết kế theo tiêu chuẩn nên trục mang đá có độ tùy
biến cao và giúp mở rộng công năng của trục chính. Kết cấu trục mang đá ảnh
hưởng nhiều đến độ cứng vững của đá mài, do đó làm ảnh hưởng tới độ chính xác
gia công.
a. Kết cấu trục mang đá gắn với trục chính
Có 2 phương pháp gắn trục mang đá với trục chính và phụ thuộc vào thiết kế
trục chính gồm: gắn bằng ren và gắn bằng bề mặt côn (hình 1.3). Loại trục mang đá
gắn với trục chính bằng ren là loại rất phổ biến nhất.

Hình 1.3. Kết cấu trục mang đá của đá mài lỗ
b. Kết cấu gắn đá mài với trục mang đá
Có 3 phương pháp gắn đá mài với trục mang đá


7
- Gắn bằng keo (hình 1.4a): phương pháp này thường được sử dụng với đá mài
có đường kính nhỏ và giúp cho trục mang đá có độ cứng vững cao. Tuy nhiên, việc
thay đá có nhiều khó khăn.

a) Gắn đá mài bằng keo

b) Gắn đá mài bằng ren

c) gắn đá mài bằng collet
Hình 1.4. Kết cấu gắn đá mài với trục mang đá
- Gắn bằng ren (hình 1.4b): phương pháp này được sử dụng cho sản xuất loạt
lớn và đòi hỏi phải thay đá thường xuyên.
- Gắn bằng collet (hình 1.4c): phương pháp này được sử dụng khi đá mài có
kích thước khác nhau và giúp thay đổi đá mài dễ dàng.
c. Các thông số của trục mang đá
- Chiều dài trục mang đá càng nhỏ thì độ cứng vững của đá càng. Tuy nhiên,
chiều dài trục mang đá cần đủ dài để mài hết chiều dài lỗ.


8
- Đường kính trục mang đá: đường kính trục mang đá nên chọn lớn nhất có thể
để vừa đảm bảo độ cứng vừa tăng được tuổi thọ của đá mài.
- Độ cứng vững: độ cứng vững hợp lý được xác định [44] như sau:

E .D 4
Stiff  3
L
Trong đó:

(1.1)
E – Modul đàn hồi của vật liệu làm trục mang đá (N/mm2)
D – Đường kính trục mang đá (mm)
L – Chiều dài trục mang đá (mm).

1.1.3. Vị trí và vai trò của nguyên công mài lỗ trong quy trình công nghệ

Trong quy trình công nghệ gia công các chi tiết lỗ sau nhiệt luyện, mài và tiện
cứng là hai phương pháp gia công thường được các nhà công nghệ lựa chọn. Việc
lựa chọn phương pháp gia công nào phụ thuộc vào yêu cầu của sản phẩm cũng như
ưu nhược điểm của từng phương pháp gia công. Trong hình 1.5, các bước gia công
thô, gia công tinh khi gia công bề mặt lỗ có thể lựa chọn tiện hoặc mài. Thông
thường tiện được lựa chọn cho gia công thô còn phương pháp mài được chọn là
phương pháp gia công tinh lần cuối [17].

.

Gia công thô

Gia công tinh

Tiện

Mài

Mài

Mài

Tiện

Tiện cứng

Hình 1.5. Các lựa chọn cho quá trình gia công tinh bề mặt lỗ [17]
Với mỗi phương pháp gia công tinh lần cuối (mài lỗ, tiện cứng) đều có những
ưu nhược điểm khác nhau. Không có phương pháp nào là có lợi thế tuyệt đối, thay
vào đó mỗi phương pháp sẽ có những ưu nhược điểm bổ trợ cho nhau như bảng 1.1.

Ưu điểm nổi trội của phương pháp mài đó là chi phí cho gia công rẻ mà vẫn đảm
bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật.


9
Bảng 1.1. Ưu điểm và nhược điểm của tiện cứng và mài khi gia công tinh bề mặt lỗ [17]
Tiện cứng

Mài lỗ

Ưu điểm:

Ưu điểm:

- Độ linh hoạt cao

- Tính ổn định cao

- Năng suất cao

- Chất lượng bề mặt tốt

- Có thể cắt khô – thân thiện với môi - Có thể kiểm soát các dạng hỏng trên
trường

lớp bề mặt gia công

- Chất lượng bề mặt tốt

- Lượng dư gia công nhỏ

- Chi phí cho đá mài rẻ

Nhược điểm:

Nhược điểm:

- Cắt khô có thể gây nhiệt cắt lớn

- Bắt buộc phải sử dụng dung dịch

- Quá trình cắt thiếu ổn định do dao tiện BTLN – gây ô nhiễm môi trường
chỉ cắt đơn điểm

- Khó (không thể) tái chế phoi

- Lớp bề mặt bị biến trắng do nhiệt cao

- Mức độ tiêu thụ năng lượng cao

- Chi phí cho dụng cụ cắt lớn

- Không linh hoạt

- Khó gia công lỗ sâu

- Năng suất bóc tách không cao

- Lượng dư gia công lớn

- Phải sửa đá (mất nhiều thời gian)

1.2. Các đặc điểm của quá trình mài lỗ
1.2.1. Chiều dài cung tiếp xúc lk
Khi bỏ qua biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, chiều dài cung tiếp xúc
giữa đá mài và chi tiết khi gia công mài lỗ được xác định theo công thức: [11]
2

2

Dgw .d w .t

V   u 
lk  1  ct   
 .
 60.Vd   60.Vd  d w  Dgw

Trong đó:

(1.2)

Vct – vận tốc chi tiết

(mm/ph)

Vđ – vận tốc cắt

(m/s)

u = nw.fa
Dgw – đường kính đá mài

dw – đường kính chi tiết


10
t – chiều sâu cắt
Dấu “+” được lấy khi chi tiết và đá mài quay cùng chiều, dấu
“-” được lấy khi chi tiết và đá mài quay ngược chiều
Khi mài chạy dao ngang, fa = 0 thì u = 0 ta có:


v
lk  1  ct
 60.vd

 Dgw .d w .t
.
 d w  Dgw

(1.3)

Nếu coi như trong quá trình mài chi tiết đứng yên (vw = 0) và u = 0 thì:

lk 

Dgw .d w .t
d w  Dgw

(1.4)

Từ công thức 1.4, ta thấy rõ đường kính đá mài Dgw càng lớn so với đường

kính chi tiết dw chiều dài cung tiếp xúc càng lớn và ngược lại. Theo [11], so sánh
chiều dài cung tiếp xúc lk giữa các phương pháp mài với nhau, ta thấy:

lklo  lkph  lkng

(1.5)

Hình 1.6. Chiều dài cung tiếp xúc của các phương pháp mài
Chiều dài cung tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết trong trường hợp mài lỗ là lớn
nhất trong các phương pháp mài.
1.2.2. Chiều dày lớp cắt khi mài az
Chiều dày lớp cắt được tính theo công thức tổng quát sau [11] (hình 1.9)

az 

vw
1
 s
. l.t .
 . d
60.vgw  2.vw
Dgw d w Bgw

(1.6)


11
Trong đó:
t – Chiều sâu cắt thực tế của một hạt mài (mm)
l – Khoảng cách thực tế giữa cát hạt mài (mm)

Bgw – Chiều rộng của đá (mm)
ξ – Hệ số: với mài lỗ ξ = -1, với mài ngoài ξ = +1, với mài phẳng ξ = 0.
Từ phương trình 1.6 suy ra: chiều dày lớp cắt phụ thuộc vào tất cả thông số
của mài. Trị số az quyết định tải trọng tác dụng trên hạt mài, tuổi bền và độ mòn đá
[5]. Do vậy, phương trình 1.6 được xem như phương trình cơ bản của quá trình mài.
Chiều dày lớp cắt của một hạt mài của các dạng mài lỗ, mài phẳng và mài tròn
ngoài có quan hệ như sau [11]:

azlo : azphang : azngoai 

d w  Dgw
d w .Dgw

:

Dgw  d w
1
:
Dgw
Dgw .d w

(1.7)

1.2.3. Đường kính tương đương của đá mài
Đường kính tương đương cũng được sử dụng trong quá trình nghiên cứu về
mài. Đường kính tương đương được xác định theo [31]:
Dtd 

d w .Dgw
d w  Dgw

(1.8)

Dấu “+” được lấy khi mài tròn ngoài, dấu “-” được lấy khi mài lỗ, còn khi mài
phẳng đường kính tương đương bằng đường kính đá mài. Từ phương trình 1.8 suy
ra đường kính tương đương khi mài lỗ là lớn nhất, tiếp đến là khi mài phẳng và
trong trường hợp mài tròn ngoài, đường kính tương đương là nhỏ nhất.
1.2.4. Quá trình tách phoi của hạt mài
Các hạt mài được giữ chặt trong đá mài bằng chất dính kết. Hạt mài có nhiều
cạnh cắt và có bán kính tròn rs ở đỉnh (hình 1.7).
Theo Grof [65], quá trình tách phoi của hạt có thể chia làm 6 giai đoạn được
minh họa trong hình 1.8.
+ Giai đoạn 1: Hạt mài tiếp xúc với chi tiết, biến dạng tại đây là biến dạng đàn
hồi và chưa hình thành phoi.