Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình mài tới sự phân bố nhiệt khi mài làm mát bằng không khí lạnh phần 1, nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu trúc đá mài và

1

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ
TRONG Q TRÌNH MÀI TỚI SỰ PHÂN BỐ NHIỆT KHI MÀI LÀM
MÁT BẰNG KHƠNG KHÍ LẠNH
PHẦN I: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CẤU TRÚC
ĐÁ MÀI VÀ CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ
MÃ SỐ:………….
NGUYỄN TRỌNG HÙNG

Người hướng dẫn khoa học: TS.TRƯƠNG HỒNH SƠN

HÀ NỘI 2006


2

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................... 2
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................... 4
Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆT MÀI ....................................... 7
1.1 . Vị trí của mài trong sản xuất cơ khí. ....................................................... 7
1.2 . Các dạng hư hỏng thường gặp trong khi mài. ....................................... 15
1.3 . Ảnh hưởng của nhiệt mài đến chất lượng gia công chi tiết máy . .......... 19

1.4 . Các phương pháp làm mát vùng mài..................................................... 21
1.4.1. Sử dụng dung dịch trơn nguội ............................................................ 21
1.4.2. Sử dụng chất kết dính có hệ số dẫn nhiệt cao. .................................... 24
1.4.3. Sử dụng khơng khí lạnh. .................................................................... 26
Chương II: PHÂN TÍCH TRUYỀN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH MÀI.... 32
2.1. Nhiệt sinh ra trong vùng mài. ................................................................ 32
2.2. Nhiệt độ bề mặt của chi tiết mài ............................................................ 34
2.2.1. Cơ sở nhiệt động học-Lý thuyết M.C.Shaw. ..................................... 34
2.2.2 Nhiệt độ bề mặt chi tiết mài theo lý thuyết M.C. haw……………….38
2.3. Sự phân bố nhiệt trong vùng mài khi mài khô. ...................................... 41
2.3.1. Cơ sở nhiệt động học theo M.C.Shaw ................................................ 45
2.3.2. Nhiệt truyền vào chi tiết gia công ...................................................... 45
2.3.3. Nhiệt truyền vào đá mài ..................................................................... 46
2.3.4. Nhiệt truyền vào phoi. ....................................................................... 46
Chương III: PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ NHIỆT MÀI
KHI LÀM MÁT BẰNG KHÍ LẠNH ........................................................... 47
3.1. Mơ hình truyền nhiệt trong vùng mài. ................................................... 47
3.2. Phân tích sự truyền nhiệt trong vùng mài............................................... 48
3.3. Ảnh hưởng các thông số đến sự phân bố nhiệt ....................................... 50
3.3.1. Các thông số liên quan đến cấu trúc đá mài. ....................................... 50
3.3.2. Các thông số liên quan đến thông số công nghệ. ................................. 56
Chương IV: MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TRONG QUÁ TRÌNH
MÀI LÀM MÁT BẰNG KHƠNG KHÍ LẠNH ........................................... 59
4.1. Mơ hình thí nghiệm. .............................................................................. 59
4.2. Điều kiện thực nghiệm. ......................................................................... 61
U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U


3

4.3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận. ........................................................... 65
4.3.1. Khả năng làm mát của khí lạnh đối với bề mặt chi tiết gia công ......... 65
4.3.2. Ảnh hưởng của cấu trúcđá mài đến khả năng làm mát ........................ 67
4.3.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng làm mát………69
4.4. Kết luận ................................................................................................. 73
Chương V: CÁC KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO . 75

Lời cảm ơn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Tóm tắt luận văn Tiếng Việt.
U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U


4

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, nền cơng nghiệp gia cơng cơ đang hướng tới một môi trường
công nghệ đảm bảo độ chính xác gia cơng và chất lượng bề mặt chi tiết máy
đòi hỏi ngày càng cao đồng thời phải tạo ra một mơi trường gia cơng sạch có
lợi cho mơi trường, cho sức khoẻ của người lao động. Điều đó cho thấy không
thể tiếp tục sử dụng các loại dung dịch trơn nguội truyền thống có sử dụng các
hợp chất hố hóc có hại cho sức khoẻ con người lâu dài được mà địi hỏi phải
có sự thay thế nhằm thoả mãn các yêu cầu của khoa học công nghệ.
Cho đến nay, sử dụng khí lạnh làm nguội khi gia cơng là cơng nghệ duy
nhất có thể đáp ứng được các u cầu nói trên của nền cơng nghiệp gia cơng
cơ. Do đó cần sớm được đầu tư, nghiên cứu, phát triển cơng nghệ sử dụng khí
lạnh làm nguội trong q trình gia cơng cơ. Việt nam là nước có nền công
nghiệp đang trên đà phát triển nên việc áp dụng cơng nghệ này q trình sản
xuất sẽ tạo ra được tiền đề tốt cho sự nghiệp phát triển cũng như tạo tiền đề
cho việc phát trển bền vững sau này.
Việc sử dụng khí lạnh để làm mát vùng mài đã được nghiên cứu và ứng
dụng ở một số nước (1). Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về khả năng và mát
P

P

cũng như khả năng ứng dụng khơng khí lạnh để làm mát vung mài thay cho
các dung dich làm mát truyền thống. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng
việc thổi một lường khơng khí lạnh qua vùng mài sẽ có tác dụng làm cho
nhiệt độ bề mặt mài của chi tiết hạ xuống và một phần nhiệt được lấy ra khỏi

vùng mài

. Tuy nhiên, các nghiên cứu về khả năng làm mát của khơng khí

(2)
P

P

lạnh mới chủ yếu được nghiên cứu ở dạng thực nghiệm. Để việc cho việc sử
dụng khơng khí lạnh để làm mát trong q trình mài có hiệu quả hơn thì cần
có những nghiên cứu lý thuyết. Ở phạm vi đề tài này, tác giả mong muốn đưa


5

ra các một số nghiên cứu lý thuyết về khả năng làm nguội của chi tiết gia
công khi mài bằng cách sử dụng khí lạnh. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các
thông số công nghệ đến khả năng làm mát của khí lạnh khi mài, qua đó đưa ra
các thơng số về mối quan hệ giữa các yếu tố đó khi mài. Tồn bộ nghiên cứu
của luận văn được trình bày trong 5 chương.
Chương 1 giới thiệu chung về nhiệt mài. Chương này giới thiệu về khả năng
công nghệ của phương pháp mài, những ưu điểm và tồn tại của chúng. Sau đó
phân tích các ảnh hưởng do nhiệt mài gây nên đồng thời đưa ra các phương
pháp truyền thống làm giảm nhiệt mài và giới thiệu phương pháp mài sử dụng
khí lạnh để làm mát vùng mài và nhiệt độ bề mặt chi tiết mài.
Chương 2 trình bày các phân tích về truyền nhiệt trong vùng mài của q
trình mài. Chương này tiếp tục giới thiệu rõ hơn về các cơ sở truyền nhiệt khi
gia công, đề cập đến cở sở tính tốn sự truyền nhiệt trong khu vực gia công
theo lý thuyết của M.C. Shaw và dựa vào đó để làm cơ sở cho các tính tốn và

thực nghiệm sau này của đề tài.
Chương 3 trình bày các phân tích về mặt lý thuyết sự truyền nhiệt vào chi
tiết mài khi làm mát bằng khí lạnh. Chương này tác giả muốn đưa ra các lý
thuyết phân tích về sự truyền nhiệt mài đến các thành phần của hệ thống cơng
nghệ trong khu vực mài khi dùng khí lạnh để làm mát vùng mài. Qua đó phân
tích rõ sự ảnh hưởng của các yếu tố hệ thống công nghệ, các yếu tố chế độ
mài đến quá trình truyền nhiệt này.
Một số kiểm nghiệm ảnh hưởng của khơng khí lạnh tới việc làm mát trong
quá trình mài thực nghiệm được trình bày ở trong chương 4. Chương này làm
rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng làm mát của khí lạnh


6

bằng các thực nghiệm để chứng minh các phân tích lý thuyết đã đưa ra trước
đó. Q trình thực nghiệm được tiến hành trên trung tâm mài VKC45 do hãng
Hitachi Seiki sản xuất, sử dụng đá mài kim cương có tỷ lệ lỗ khí khác nhau để
mài vật liệu là Hợp kim cứng T 15 K 6. . Nhiệt độ bề mặt chi tiết mài được đo
R

R

R

R

bằng bằng cặp ngẫu nhiệt trực tiếp trong vùng mài. Đây là kết quả của sự hợp
tác giữa các tác giả với Phịng thí nghiệm nghiên cứu các q trình gia cơng
chính xác của trường đại học Ritsumeikan-Nhật Bản. Các thảo luận về kết
quả đạt được, đánh giá và đưa ra các kết luận về kết quả được thực nghiệm

cũng là một phần của chương này.
Chương 5 trình bày một số kết luận đã đạt được của đề tài nghiên cứu và
đưa ra các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Phần này chủ yếu đưa ra các kết luận đã được phân tích bằng mơ hình lý
thuyết và thực nghiệp trong đề tài. Đánh giá kết quả của đề tài và đưa ra các
vấn đề liên quan chưa được nghiên cứu trong đề tài, đề xuất các hướng nghiên
cứu tiếp theo nhằm đảm bảo hiệu quả tối đa của nội dung đề tài này.


7

1.Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆT MÀI
1.1. Vị trí của mài trong sản xuất cơ khí và cuộc sống.
Mài là phương pháp gia công cắt gọt tốc độ cao bằng một số lượng lớn các
lưỡi cắt của hạt mài. Các hạt mài được liên kết trong đá mài bằng các chất kết
dính. Lỗ khí là thành phần rất quan trọng để tạo khả năng cắt gọt của đá mài.
Với tốc độ phát triển của khoa học kỹ thuật, yêu cầu về độ chính xác của chi
tiết máy ngày càng cao, mài là một trong những phương pháp gia công tinh có
hiệu quả cao và thoả mãn các yêu cầu đó. Có thể nói, nếu khơng có phương
pháp mài thì khó có thể chế tạo được các chi tiết có độ chính xác cao. Tầm
qua trọng của mài được thể hiện qua các yếu tố sau:
- Trong gia công cơ khí, mài chiếm từ 20-25% giá thành chế tạo các chi tiết
có ngun cơng mài hay có liên quan đến mài.
- Sẽ khơng có xã hội văn minh nếu khơng có phương pháp mài. Nhìn chung
các sản phẩm cao cấp trong cuộc sống của xã hội văn minh đều phải qua mài
hoặc có liên quan đến q trình mài.
Q trình mài thực chất được thực hiện bởi máy mài và đá mài[1]. Ngày
P

P

nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, có nhiều loại máy mài hiện đại
và vật liệu đá mài mới ra đời với nhiều tính năng, cơng dụng khác nhau, độ
chính xác gia cơng ngày càng được nâng cao. Máy mài thường được chế tạo
theo các loại: máy mài trịn ngồi, máy mài trong trong, máy mài mặt phẳng,
máy mài vô tâm,… Một trong những đặc điểm nội bật của máy mài so với các
loại máy cơng cụ khác là chúng có khả năng thực hiện được những lớp cắt rất
nhỏ (vài µm) và có khả năng điều chỉnh máy với lượng dịch chuyển rất nhỏ.


8

Chất dính kết

Hạt mài

Lỗ

Hỡnh 1-1 ỏ mi v cu trỳc đá mài


9

Hình 1-2 Một số dạng hạt mài


10

Đá mài được chế tạo với nhiều chủng loại rất phong phú để có thể gia cơng
hầu hết tất cả các bề mặt chi tiết gia cơng: đá mài trịn ngồi, đá mài trịn

trong, đá mài mặt phẳng, đá mài ren, đá mài răng, đá mài rãnh,...Đá mài
(Hình 1-1) được đặc trưng bởi các yếu tố: dạng hạt mài, kích thước hạt mài,
U

U

độ cứng của đá, cấu trúc của đá, chất kết dính và các mảng để nhận dạng đá
mài. Các loại vật liệu sử dụng để chế tạo đá mài như: Kim cương tự nhiên và
nhân tạo, CBN (Cubic Nitride Boron), Ơxyt nhơm (Al 2 O 3 ), Carbide Silic
R

R

R

R

(SiC), Ôxyt Silic (SiO2),... Các loại vật liệu được sử dụng làm chất kết dính
như: kim loại (Metal), thuỷ tinh hố (Vitrified), nhựa tổng hợp (Resin),…Đá
mài cịn được chế tạo theo các phương pháp khác nhau nhằm tạo ra các đặc
tính khác nhau của chúng, một trong các đặc điểm được quan tâm nhiều đó là
tỷ lệ lỗ khí của đá mài sau khi chế tạo. Hình 1-3 mơ phỏng cng ca cỏc

9000
8000
7000

Vật liệu đá mài
Vật liệu dụng cụ cắt khác

6000
5000
4000
3000

Thép tôi

Oxyt Silic

Silic đơn
tinh thể

Zirconia

Nitride Silic

Oxyt nhôm

CBN

1000
0

Carbide Silic

2000

Kim cuơng

Độ cøng Knoop, kg/mm2

loại vật liệu hạt mài dùng chế tạo đá mài.

Hình 1-3 Độ cứng của các loại vật liệu mài
So với phương pháp gia công cắt gọt bằng các dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác


11

định, mài có một số đặc điểm nổi bật:
- Đá mài là dụng cụ cắt mà quá trình cắt gọt được thực hiện chủ yếu nhờ các
hạt mài trên bề mặt đá. Trong cùng một đơn vị thời gian có rất nhiều lưỡi cắt
đồng thời tham gia cắt gọt. Các hạt mài (Hình 1-2) có hình dáng khác nhau và
U

U

rất phức tạp, sự phân bố các hạt mài trên đá mài là ngẫu nhiên nên chúng có
các thơng số hình học trên bề mặt đá càng phức tạp hơn. Thông thường các
góc trước γ ln âm, các góc sau nhỏ, bề mặt lưỡi cắt tiếp xúc với bề mặt gia
công khi cắt rất lớn. Cơ chế tự mài sắc của đá trong q trình đang gia cơng
thêm một lần nữa tạo nên sự phức tạp của thơng số hình học các hạt. Thơng
số hình học thay đổi so với các hạt mài với nhau đồng thời các hạt mài đó
cũng thay đổi theo thời gian (mòn đá).
- Tốc độ cắt khi mài rất cao, thường V d =30÷35m/s mài tốc độ cao thì
R

R

V d ≥50m/s . Hiện nay ở các nước phát triển như Đức, Nhật Bản đã mài với

R

R

vận tốc lên tới 120m/s và đang tìm cách để nâng vận tốc khi mài lên đến
300m/s. Tiết diện phoi mài rất bé, chiều sâu cắt nhỏ.
- Dụng cụ mài có lưỡi cắt không liên tục, các hạt mài nằm tách biệt trên đá
mài, do đó khi cắt sẽ tạo nên các phoi cắt riêng biệt. Quá trình cắt được thực
hiện bằng quá trình tạo phoi trên bề mặt chi tiết gia cơng như các q trình gia
cơng khác nhưng ở mức độ nhỏ hơn.
- Nhiệt độ trong vùng gia công khi mài rất cao, khoảng từ 1000÷15000C.
P

P

- Các hạt mài có độ cứng cao, giịn, độ bền nhiệt cao nên có khả năng gia
cơng các loại vật liệu có độ bền cao đặc biệt là các loại vật liệu đã qua nhiệt
luyện.


12

- Trong q trình gia cơng, đá mài có khả năng tự làm sắc theo các cơ chế
khác nhau (gãy cầu liên kết, mòn hạt mài do ma sát và vỡ hạt mài)[3]
P

Hình 1-4. Máy mài phẳng
Mài là phương pháp chủ yếu sử dụng trong các nguyên công tinh lần cuối,
là các nguyên công quyết định cuối cùng đến độ chính xác và chất lượng bề
mặt chi tiết gia cơng. Khối lượng sản phẩm mài chiếm 30% trong ngành chế

tạo máy, độ chính xác gia cơng có thể đạt cấp chính xác 6÷7
(0,002÷0,003mm), độ nhám bề mặt có thể đạt đến cấp 10 (Ra 0,16µm).
Trường hợp mài siêu tinh có thể đạt độ chính xác cấp 3, độ nhám có thể đạt
tới cấp 12 (Ra 0,04µm).
So với phương pháp Tiện và một số phương pháp gia công khác, phương
pháp mài có nhiều ưu điểm nổi bật: Chất lượng bề mặt chi tiết tốt, q trình
cơng nghệ dễ thực hiện, có thể thực hiện được các lớp cắt có chiều sâu ct
nh (t min =3ữ5àm), gim kinh phớ ch to dng cụ cắt, các ảnh hưởng đến lớp
R

R


13

bề mặt chi tiết có thể kiểm sốt được. Ngồi ra một đặt trưng nữa là q trình
mài có thể gia công được các chi tiết đã qua nhiệt luyện.
Phương pháp mài có thể thực hiện gia cơng được hầu hết tất cả các dạng
bề mặt chi tiết khác nhau: bề mặt trụ trong, trụ ngoài, mặt phẳng, then, ren,
răng và các dạng bề mặt định hình khác. Ngày nay, kết hợp với máy mài CNC
5 trục và các công nghệ chế tạo đá tiên tiến (Liên kết kim loại hay bằng
phương pháp mạ điện) thì khả năng cơng nghệ của phương pháp mài càng
được mở rộng. có khả năng gia công được các bề mặt phức tạp với độ chính
xác rất cao.

Hình 1-5. So sánh q trình tạo phoi khi mài và tiện
Khi cắt, quá trình tạo phoi phụ thuộc vào các yếu tố: vật liệu dụng cụ cắt,
vật liệu chi tiết gia cơng, thơng số hình học dụng cụ cắt, chế độ cắt, điều kiện
thoát phoi, dung dịch trơn nguội và phương pháp tưới nguội. Quá trình tạo
phoi khi mài rất phức tạp do tính chất chuyển động của đá mài so với chi tiết

gia công, do sự phức tạp của thơng số hình học các hạt mài và do sự phân bố


14

phức tạp của số lượng lớn hạt mài trên bề mặt đá.

Hình 1-6. Một số loại phoi mài
Hình 1-6 và Hình 1-7 giới thiệu một số loại phoi mài khi thực hiện với chiều
sâu cắt t từ 2µm đến 100µm[5].
P

P

Hình 1-7. Mô phỏng phoi mài


15

1.2. Các dạng hư hỏng thường gặp trong khi mài.
Trong q trình gia cơng cơ, muốn đảm bảo độ chính xác về kích thước
chi tiết và chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng cao, thì địi hỏi phải xử lý rất
nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cơng nghệ trong q trình gia cơng
và cả sau khi gia cơng. Mài là một phương pháp gia cơng địi hỏi cao về độ
chính xác và chất lượng lớp bề mặt, do đó cần phải xem xét, dự đốn và đưa
ra các giải pháp thích hợp nhằm hạn chế các ảnh hưởng đó.
Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết gia
công là các yếu tố của hệ thống công nghệ: Máy - Đá mài - Đồ gá và chi tiết
gia công. Với đặc thù của kết cấu đá mài, hai yếu tố gây khó khăn cho việc
đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng là lực mài và nhiệt mài. Đây cũng là

các yếu tố có tính quyết định đến chất lượng của chi tiết gia cơng.
Do tính phức tạp về kết cấu các hạt mài và sự phân bố của chúng trên bề
mặt đá (hầu hết các hạt mài đều có góc trước âm: γ<0 - Hình 1-3) nên q
trình cắt khó thực hiện, ma sát lớn. Mặt khác, các hạt mài phân bố trên bề mặt
đá không theo quy luật nhất định, mật độ phân bố hạt mài trên một đơn vị
diện tích bề mặt đá lớn nên số lượng hạt mài cùng tham gia cắt gọt trong một
đơn vị thời gian rất lớn. Sự phân bố phức tạp của chúng đã cản trở việc sử
dụng các loại dung dịch trơn nguội với tác dụng giảm nhiệt khi gia công và
khó khăn cho việc xác định các thơng số của q trình mài. Trong lúc đó đá
mài lại có khả năng dẫn nhiệt kém nên hầu hết nhiệt mài được truyền vào chi
tiết gia công.
Các dạng hư hỏng xảy ra khi cắt thường chịu ảnh hưởng của sự biến dạng
hệ thống công nghệ và do nhiệt mài. Biến dạng của hệ thống công nghệ liên


16

quan đến lực mài. Ở đây, lực cắt khi mài thường khơng đáng kể do q trình
cắt khi mài chỉ thực hiện với lớp chiều sâu của lớp cắt nhỏ. Sự biến dạng của
hệ thống cơng nghệ ngồi việc liên quan đến độ lớn của lực cắt còn phụ thuộc
vào phương pháp thực hiện quá trình cắt (mài thuận, mài nghịch). Tuy nhiên,
quá trình mài khác với phay là lực mài hầu như khơng có tác dụng trong việc
tăng hay giảm lực kẹp. Do lực mài khi cắt rất nhỏ nên sự ảnh hưởng của
chúng đến các dạng hư hỏng do mài là rất ít. Do đó có thể nói các hư hỏng
xảy ra khi mài chủ yếu các dạng hư hỏng đều do nhiệt mài gây nên. Theo một
số đánh giá kỹ thuật thì các hư hỏng chịu ảnh hưởng của nhiệt mài chiếm xấp
xỉ 90% [6].
P

P

Một trong những dạng hư hỏng phổ biến nhất là cháy phôi. Hiện tượng
cháy phôi không những chỉ xuất hiện khi mài các loại thép Cacbon và thép
hợp kim mà còn xảy ra cả với những loại vật liệu kim loại khác. Biểu hiện dễ
nhận thấy nhất của cháy phôi là hiện tượng chuyển màu của lớp bề mặt kim
loại do sự hình thành lớp oxit. Hiện tượng này chỉ xuất hiện trong q trình
mài 1 số vật liệu kim loại, khi khơng xuất hiện màu xanh khơng có nghĩa là
khơng có hiện tượng cháy phôi khi gia công xảy ra.
Khi bị cháy, kim loại có xu hướng dính chặt với bề mặt đá mài, làm lực cắt
tăng lên, bề mặt gia công xấu đi và đá mài cũng nhanh bị mòn. Bằng nhiều
phương pháp kiểm tra tế vi khác nhau, các nhà nghiên cứu đã chứng minh
rằng có thể xác định được các yếu tố sau khi cháy, đồng thời chúng có liên
quan đến q trình phục hồi ausenit của phơi. Khi cháy, thép bị tôi lại, sự tôi
lại là kết quả của sự phục hồi austenit được nối tiếp bằng sự hình thành
mactensit chưa ram. Sự cháy phơi và sự phục hồi austenit do nhiệt khi mài
các loại thép mềm, kể cả những loại có độ thấm tơi, khơng nhất thiết đi kèm
với sự tôi bề mặt. Xét về mặt luyện kim và những kết quả đo độ cứng tế vi


17

cho thấy ngưỡng cháy trùng hợp với ngưỡng bắt đầu của sự phục hồi austenit
khi nung nóng kim loại.
Trong quá trình gia cơng, những phát hiện này đã tạo điều kiện xác định
và kiểm sốt q trình cháy phơi (burn). Khi mài, năng lượng riêng đo được
có thể so sánh với năng lượng riêng tới hạn nhằm dự đoán hiện tượng cháy có
thể xảy ra hay khơng. Trong thực tế, năng lượng riêng tới hạn của mỗi loại vật
liệu phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Việc xác định năng lượng riêng trong phịng
thí nghiệm thường dựa trên các số liệu đo lường về lực, song việc này rất khó
để thực hiện tại điều kiện sản xuất thực tế. Tuy nhiên, cơng suất máy có thể

xác định được một cách chính xác và dựa vào đó để xác định được cơng suất
mài thông qua các bộ chuyển đổi trạng thái công suất. Để xác định công suất
mài thực, chỉ cần lấy tổng cơng suất trừ đi cơng vơ ích. Cơng suất mài thực có
thể so sánh với cơng suất cháy ở ngưỡng cháy. Việc giám sát cơng suất mài
theo hình thức này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình điều khiển thích nghi
tối ưu của q trình mài trong lúc vẫn thoả mãn các yêu cầu về chất lượng bề
mặt chi tiết gia công.
Đối với các thép đã tôi, nếu khi mài khơng xảy ra hiện tượng cháy thì
cũng thường xảy ra các hiện tượng ram bề mặt.
Ram xuất hiện trong q trình mài được xem là hiện tượng khơng có lợi,
làm xuất hiện sự hố mềm của kim loại ở gần lớp bề mặt chi tiết. Đối với
những kim loại có cấu trúc mactensit đã tơi, thì mức độ hoá mềm do ram là
rất phức tạp, chủ yếu do có sự thốt Cacbon khi nung nóng. Mà hiện tượng
thốt Cacbon lại phụ thuộc rất nhiều vào cả thời gian và nhiệt độ nung nóng.
Nếu thời gian bị nung nóng càng dài và nhiệt độ càng cao (chưa đến ngưỡng
cháy) thì mức độ ảnh hưởng do ram gây ra càng lớn. Ram xuất hiện sẽ gây


18

nên các hiện tượng chuyển biến pha kim loại và hầu hết đều làm giảm độ
cứng của bề mặt chi tiết gia cơng. Điều này hồn tồn khơng mong muốn
trong q trình gia cơng chế tạo máy, đặc biệt là các trường hợp mài vật liệu
kim loại đã nhiệt luyện. Do yêu cầu về độ cứng của chi tiết gia công nên phải
tiến hành qua nguyên công nhiệt luyện. Song khi nhiệt luyện lại xuất hiện một
số hiện tượng thoát Cacbon, ơxy hố bề mặt do vậy phải tiến hành mài sau khi
nhiệt luyện. Với đặc điểm chung như vậy, nếu khi mài chi tiết đã qua nhiệt
luyện thì phải tuyệt đối khơng để hiện tượng ram xảy ra. Vì hiện tượng ram
xảy ra lúc này sẽ làm giảm tác dụng của ngun cơng nhiệt luyện-điều này
chúng ta hồn tồn không mong muốn khi gia công.

Một hiện tượng khác do ảnh hưởng của nhiệt mài gây nên là sự tồn tại
một lượng ứng suất dư (Residual stress) trên lớp bề mặt chi tiết làm ảnh
hưởng đến cơ tính của vật liệu. Ứng suất dư được tạo ra do những biến dạng
dẻo không đồng đều ở lớp bề mặt của chi tiết gia công. Những va chạm do tác
động giữa các hạt mài với bề mặt chi tiết gia công phần lớn gây ra những ứng
suất dư do hiện tượng biến dạng dẻo (Plastic flow). Ảnh hưởng của chúng có
thể hình dung tương tự như ảnh hưởng của quá trình rèn hạt. Những ứng suất
và biến dạng do nhiệt kết hợp với nhiệt độ mài và độ dốc từ bề mặt đến chi
tiết gia cơng là ngun nhân chính gây nên các ứng suất dư kéo (Tensile
stress). Tại vùng mài, sự giãn nở nhiệt của vật liệu xảy ra sẽ có khả năng xuất
hiện những ứng suất dư nén (Compressive stress), nếu đủ lớn chúng sẽ gây ra
sự chảy dẻo kim loại khi nén. Trong quá trình làm mát, khi nhiệt của quá trình
mài giảm dần, vật liệu đã bị biến dạng dẻo do nhiệt trước đó có xu hướng co
lại nhiều hơn so với lớp vật liệu dưới bề mặt. Tính yêu cầu liên tục, liên kết
trong kết cấu phân tử của vật liệu đã gây ra ứng suất dư căng trên lớp bề mặt.
Để đảm bảo sự cân bằng về cơ học, những ứng suất dư nén cũng xuất hiện sâu


19

hơn trong lớp vật liệu nhưng độ lớn của chúng nhỏ hơn.
Ảnh hưởng của ứng suất dư thường được thấy rõ rệt đối với những vật
liệu giòn và bền cao. Do đó khi gia cơng các loại vật liệu kim loại này phải
chú ý đến các thông số chế độ cắt khi mài để tránh các hiện tượng nứt, vỡ do
ứng suất dư bề mặt gây nên. Mặt khác khi chế tạo chi tiết cũng tránh trường
hợp ứng suất phân bố khơng đều trên tồn bộ chi tiết mà chỉ tập trung vào một
số khu vực trên chi tiết gây mất cân bằng để xảy ra các hiện tượng nứt và tróc
rỗ, vỡ,..
Trong thực tế gia cơng ln mong muốn giảm ứng suất dư kéo và tạo ứng
suất dư nén, đặc biệt với các chi tiết dạng trục. Đã có nhiều thực nghiệm cho

thấy hiệu quả của vật liệu mài CBN (Cubic Boron Nitride Abrasive) trong
việc thực hiện mục tiêu này. Trên Hình 1-7 cho thấy khả năng dẫn nhiệt của
loại vật liệu mới CBN, đặc điểm này đã làm tăng khả năng thốt nhiệt trong
khu vực mài thơng qua đường truyền nhiệt từ đá mài.
Để hạn chế những ảnh hưởng do nhiệt mài gây ra, việc kiểm soát, dự đốn
khả năng tăng nhiệt trong khu vực gia cơng là rất quan trọng và cần thiết cho
q trình gia cơng.
1.3. Ảnh hưởng của nhiệt mài đến chất lượng gia công chi tiết máy .
Độ chính xác của chi tiết máy và chất lượng bề mặt chi tiết gia công được
đánh giá theo những tiêu chí sau:
- Độ chính xác về kích thước các bề mặt chi tiết máy.
- Độ chính xác về hình dáng hình học của chi tiết máy (độ tròn, độ trụ,


20

độ thẳng,…)
- Độ chính xác về kích thước vị trí tương quan giữa các bề mặt chi tiết
máy (độ vuông góc, độ đồng tâm, độ song song, độ đảo mặt đầu,…).
- Độ nhẵn bóng của bề mặt chi tiết máy (Rz, Ra).
- Ứng suất dư trên lớp bề mặt và sự xuất hiện hay không của các hiện
tượng vật lý khác (chuyển biến pha kim loại, lớp biến cứng bề mặt, hoá mềm,
thoát Cacbon,…)
Khi nhiệt mài trong khu vực gia công đủ lớn, sẽ gây biến dạng đàn hồi hệ
thống công nghệ máy-đá mài-đồ gá-chi tiết gia công, gây ra các sai số về
chuẩn, về khả năng định vị và kẹp chặt chi tiết, …gây ra các sai số kích thước
gia công theo chu kỳ hoặc ngẫu nhiên, làm giảm độ chính xác kích thước bề
mặt và kích thước về vị trí tương quan giữa các bề mặt của chi tiết máy[7].
P

P

Một lượng nhiệt mài rất lớn truyền vào chi tiết gia công, làm xuất hiện các
hiện tượng biến dạng đàn hồi chi tiết, xuất hiện các hiện tượng biến dạng dẻo
trên bề mặt chi tiết, …gây ra các sai số vệ hình dáng hình học của chi tiết.
Hiện tượng biến dạng dẻo trên lớp bề mặt chi tiết có thể làm xuất hiện
hiện tượng “lẹo dao” khi gia công, làm thay đổi các góc cắt của hạt mài tạo
nên một topograph trên bề mặt chi tiết phức tạp, có độ nhám cao. Nhiệt mài
cũng là một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng mòn đá mài và như
vậy cũng làm tăng độ nhám của bề mặt chi tiết gia cơng và giảm khả năng cắt
của đá.
Như đã trình bày, nhiệt mài làm xuất hiện ứng suất dư kéo, nén và một số


21

hiện tượng khác như: chuyển biến pha vật liệu kim loại, mềm hoá, thoát
Cacbon (mài thép Cacbon), … và như vậy cũng làm giảm chất lượng của bề
mặt chi tiết máy khi gia công.
Như vậy, nhiệt sinh ra khi mài và tồn tại trong khu vực mài là yếu tố rất có
hại cho q trình cơng nghệ khi mài, làm xuất hiện rất nhiều sai số gia công
khác nhau.
Từ những kết quả đánh giá trên cho thấy các ảnh hưởng đến chất lượng bề
mặt chi tiết gia công chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố là lực mài và nhiệt mài.
Kết quả cũng cho thấy các ảnh hưởng do lực cắt khi mài là không đáng kể,
các ảnh hưởng xấu đối với bề mặt chi tiết máy chủ yếu do nhiệt sinh ra khi
mài gây nên.
Do những ảnh hưởng đó, việc xác định các thơng số và giá trị nhiệt mài là
rất cần thiết, từ đó đưa ra các giải pháp làm nguội trong quá trình mài nhằm
hạn chế các ảnh hưởng xấu của chúng để nâng cao độ chính xác và chất lượng

bề mặt chi tiết máy.
1.4. Các phương pháp làm mát vùng mài.
1.4.1. Sử dụng dung dịch trơn nguội
Để hạn chế các ảnh hưởng do nhiệt mài gây nên, các nhà nghiên cứu về
kỹ thuật trước đây chủ yếu đưa ra một số phương pháp dùng các loại dung
dịch trơn nguội cung cấp vào khu vực gia công khi mài.
Các loại dung dịch trơn nguội thường được sử dụng được chia làm 4 loại:
Dầu tổng hợp (không có dầu lửa), dầu bán tổng hợp (có chứa 2÷30% dầu lửa),
dầu nguyên chất (lấy 100% dầu lửa, không pha chế) và dầu có pha chế nước


22

và một số hợp chất khác.
Khi dung dịch trơn nguội được tưới vào khu vực gia cơng, nó có tác dụng
làm giảm ma sát giữa đá mài và bề mặt chi tiết gia công và làm giảm nhiệt
truyền vào chi tiết bằng cơ chế hấp thu nhiệt ở khu vực gia cơng và truyền ra
ngồi. Do vậy nếu dung dịch trơn nguội có nhiệt độ càng thấp và lưu lượng
chuyển qua khu vực gia công trong 1 đơn vị thời gian càng nhiều thì hiệu quả
của chúng càng cao.
Ngồi ra dung dịch trơn nguội cịn có tác dụng làm tăng khả năng thốt
phoi trong khu vực gia cơng. Nếu q trình gia cơng khó thốt phoi thì lượng
phoi bị kẹt sẽ là nguyên nhân làm tăng ma sát giữa đá và chi tiết do đó làm
tăng nhiệt trong khu vực gia cơng. Khi đó q trình cắt gọt xảy ra ở dạng cày
xới và chà xát bề mặt dẫn đến làm giảm chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Mặt khác do kết cấu của đá mài nên dung dịch trơn nguội khi tưới vào khu
vực gia cơng thì khơng thể nào xâm nhập vào trực tiếp bề mặt gia công được
mà chủ yếu chỉ bao phủ xung quanh khu vực gia công. Mà nhiệt mài chủ yếu
sinh ra tại vị trí trong khu vực tiếp xúc giữa đá mài và bề mặt chi tiết gia
cơng, do đó đã làm giảm khả năng làm nguội của dung dịch trơn nguội khi

mài.
Khi dung dịch trơn nguội tiếp xúc với bề mặt chi tiết gia cơng, nếu q
trình làm nguội kém hiệu quả, nhiệt độ ở vùng gia công đủ lớn sẽ làm sôi và
tạo ra lớp hơi sương (lớp màng trắng) trên bề mặt lớp dung dịch trơn nguội.
Đây là thành phần để cản trở quá trình hấp thu nhiệt từ chi tiết gia công vào
dung dịch trơn nguội để chuyển ra ngồi do đó đã làm tăng nhiệt trên chi tiết
gia công. Theo nghiên cứu của Yuwen Zhang và Amir Faghrj, khi hiện tượng
này xuất hiện thì khả năng hấp thụ nhiệt của dung dịch trơn nguội sẽ xem


23

như khơng có. Do vậy phải hạn chế khơng để hiện tượng này xảy ra khi mài.
Mặt khác, khi sử dụng các loại dung dịch trơn nguội đã xuất hiện một số
vấn đề cần quan tâm. Dung dịch trơn nguội chứa nhiều hố chất gây ảnh
hưởng xấu đối với mơi trường và con người như Arsen, Benzen, Chlor,…có
thể gây nên một số bệnh nghề nghiệp nguy hiểm-đặc biệt là bệnh ung thư. Mà
việc xử lý chất thải từ dung dịch trơn nguội địi hỏi tốn kém về cơng nghệ và
kinh tế. Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy sự ơ nhiễm môi trường gây ra một
số căn bệnh hiểm nghèo cho con người (đặc biệt là bệnh do ô nhiễm nguồn
nước) mà nguyên nhân là do các chất thải công nghiệp gây nên, trong đó có
các chất thải từ dung dịch trơn nguội. Hơn nữa, lượng dung dịch trơn nguội sử
dụng trong q trình gia cơng là rất lớn. Ở Đức, mỗi năm phải sử dụng từ
130.000 đến 250.000 tấn dung dịch trơn nguội cho ngành công nghiệp chế tạo
máy[8].
P

P

Qua đó cho thấy, nguyên lý làm nguội của phương pháp này là nhờ cơ chế

hấp thu nhiệt của dung dịch làm nguội tác động vào các bề mặt xung quanh
gần khu vực gia công để làm giảm nhiệt của khu vực gia công. Chứ không
trực tiếp làm giảm nhiệt tại khu vực gia công-các vùng trực tiếp sinh ra nhiệt
khi mài.
Theo các phân tích trên, dung dịch trơn nguội dùng trong q trình gia
cơng có ưu điểm nổi bật là ngồi khả năng làm nguội cịn có khả năng bơi
trơn cho khu vực gia công, dễ kiếm, dễ thực hiện, công nghệ vận hành đơn
giản. Song việc sử dụng chúng sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong việc xử lý chất
thải, tốn kém, khó kiểm sốt được một số ảnh hưởng xấu khác và nhất là hiệu
quả làm nguội khi mài không cao.


24

Từ những ảnh hưởng xấu của việc sử dụng dung dịch trơn nguội trong
q trình gia cơng như đã nêu, gần đây các nhà kỹ thuật đã nghiên cứu các
giải pháp khác để thay thế các loại dung dịch trơn nguội.
1.4.2. Sử dụng chất kết dính có hệ số dẫn nhiệt cao.
Đá mài được chế tạo từ 2 thành phần cơ bản là hạt mài và chất kết dính.
Sau khi kết dính, đá mài được xử lý bằng các cơng nghệ khác nhau để tạo ra
các lỗ khí bên trong để tạo nên các góc cắt cho hạt mài.
Các loại đá mài hiện nay được sử dụng một số loại vật liệu hạt mài như:
Kim cương, CBN, Oxyt nhôm, Carbide Silic,...và các loại vật liệu kết dính
như: thuỷ tinh hố (Vitrified), nhựa (Resin), kim loại (Metal),...Mỗi loại vật
liệu kết dính và vật liệu hạt mài đều có hệ số dẫn nhiệt khác nhau. Do vậy các
nhà thiết kế đã vận dụng vào khả năng dẫn nhiệt của chúng để chế tạo các loại
đá mài có khả năng làm mát. Quá trình này được thực hiện thơng qua q
trình truyền nhiệt từ khu vực gia công thông qua đá mài ra môi trường và các
bộ phận làm mát khác của hệ thống công nghệ.
Trong thực tế, vật liệu hạt mài CBN và vật liệu kết dính bằng kim loại

được xem là các loại vật liệu phổ biến dùng chế tạo đá mài nhằm tăng hệ số
dẫn nhiệt của đá mài.
Kim loại (Cu, Al, Carbide Silic,…) là loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt
cao nhất trong tất cả các loại chất kết dính. Nhờ đặc điểm này, vật liệu kết
dính bằng kim loại đã chiếm được ưu thế mạnh mẽ trong lĩnh vực sản xuất
chế tạo đá mài.
Vật liệu kết dính thuỷ tinh hố có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn kim loại, tuy nhiên


25

nếu sử dụng vật liệu thuỷ tinh hoá làm chất kết dính thì chúng có ưu điểm là
làm tăng khả năng cắt của đá, tăng độ bền của đá và dễ tạo được tỷ lệ lỗ khí
của đá cao. Cịn vật liệu nhựa chủ yếu được sử dụng để chế tạo các loại đá có
hệ số an tồn cao vì khả năng kết dính của nhựa tốt hơn, dẻo dai hơn vật liệu
thuỷ tính hố. Nhược điểm lớn nhất của vật liệu kết dính nhựa là độ dẫn nhiệt
của đá kém và khó tạo được tỷ lệ lỗ khí trong đá mài.
Zirconia

Ghi chó: Kim cu¬ng dÉn nhiƯt tèt nhÊt,
Zirconia dÉn nhiệt kém nhất

Nitride
Silic
Oxyt
nhôm
Thép
Carbide
Silic
CBN

Kim
cuơng

1

10

100

1000

10000

Độ dẫn nhiệt W/mK

Hỡnh 1-8 Kh nng dn nhiệt của các loại vật liệu đá mài
Trên Hình 1-8 cho thấy khả năng dẫn nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt sử
U

U

dụng trong q trình cắt gọt nói chung

. Độ dẫn nhiệt của vật liệu đá mài

[9]
P

P

càng cao thì tốc độ khuyếch tán nhiệt từ khu vực gia công ra ngoài càng
nhanh.
Cơ chế hoạt động của phương pháp này là dùng khả năng dẫn nhiệt của
chính các loại vật liệu chế tạo đá mài kết hợp với khả năng dẫn nhiệt của bản
thân vật liệu chi tiết gia công để khuyếch tán nhiệt ra khỏi khu vực gia công.