Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu SKS3 khi gia công trên máy mài tròn

TÓM TẮT
Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết
bằng vật liệu SKS3 khi gia cơng trên máy mài trịn
Mài là phương pháp gia công tinh hay siêu tinh chúng không thể thiếu
được trong nghề Cắt gọt kim loại và nghề khuôn mẫu. Do đặc điểm như vậy
nên mài thường được chọn làm phương pháp gia công tinh lần cuối. Chất
lượng bề mặt sản phẩm phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố. Nhưng trong luận
văn này chỉ nghiên cứu một số các yếu tố như là: Chiều sâu cắt (t), lượng
chạy dao (Sd), tốc độ quay của chi tiết (Vct).
Luận văn sẽ nghiên cứu và tìm ra con số tối ưu nhất để đảm bảo được
chất lượng bề mặt khi gia công. Thông qua ma trận sang lọc Box-Behnken và
thiết kế mơ hình đáp ứng bề mặt (RSM) theo phương án cấu trúc có tâm
(CCD), tính được 15 thí nghiệm. Sau khi làm thí nghiệm xong sẽ được đưa
vào máy đo độ nhám Mitutoyo Surflest SJ-400 – Nhật Bản để kiểm tra độ
nhám bề mặt và lấy con số đầu ra. Từ các số liệu đầu vào và đầu ra đưa vào
phần mềm minitab, để cho ra kết quả là các hệ số của phương trình hồi quy.
Sau đó dựa vào phần mềm minitab ta giải ra phương trình hồi quy đó. Và
nghiệm của phương trình chính là kết quả ta cần tìm.
Kết quả của con số tối ưu sau khi giải phương trình hồi quy bằng minitab
là Ra = 0.1001 µm và t = 0.002 (mm), Sd = 3.2 (mm/vòng), Vct = 53.1313
(m/ph). Con số tối ưu cần điều chỉnh khi mài vật liệu thép SKS3 trên máy
mài trịn này cịn có thể áp dụng trên các vật liệu có tính chất và độ cứng
tương đương với thép SKS3.
.

ABSTRACT
Surface roughness optimization for grinding parameters of SKS3 steel
on cylindrical grinding machine.
Grinding is a fine finishing or super finishing method that is indispensable
in metal cutting and mold making. Due to such characteristics, grinding is

xi


often chosen as the final finishing method. Surface quality of products
depends on many factors. But in this dissertation only study a number of
factors such as. Cutting depth (t), tool amount (Sd), part rotation speed (Vct).
The thesis will study and find the most optimal number to ensure surface
quality when processing. Through the matrix of Box-Behnken filtering and
the design of the surface response model (RSM) according to the concentric
structure plan (CCD), Calculated 15 experiments. After the test is completed,
it will be put into the roughness meter Mitutoyo Surflest SJ-400 - Japan to
check surface roughness and get the output figure. From the input and output
data to the minitab software, the result is the coefficients of the regression
equation. Then based on the minitab software we solve that regression
equation. And the solution to the equation is the result we need to find.
The result of the optimal number after solving the regression equation in
minitab is Ra = 0.1001 µm và t = 0.002 (mm), Sd = 3.2 (mm/vòng), Vct =
53.1313 (m/ph). The optimal number to be adjusted when grinding SKS3
steel material on this circular grinder can also be applied to materials with
properties and hardness equivalent to SKS3 steel.

xii


MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài.................................................................................i
Biên bản chấm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ................................................ ii
Phiếu nhận xét .......................................................................................... iii
Phiếu nhận xét ........................................................................................... v
Lý lịch khoa học ....................................................................................... vii

Lời cam đoan.............................................................................................ix
Lời cảm ơn ................................................................................................ x
Tóm tắt ..................................................................................................... xii
Mục lục ....................................................................................................xiii
Danh mục các chữ viết tắt........................................................................ xvii
Danh mục hình vẽ....................................................................................xviii
Danh mục bảng biểu ................................................................................. xix
ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................. 2
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu.............................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 2
5. Cấu trúc của luận án .............................................................................. 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................ 2
Chương 1: TỔNG QUAN ....................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về phương pháp mài trịn ngồi .......................................... 3
1.2. Q trình cắt gọt khi mài .................................................................... 3
1.3. Đá mài ................................................................................................ 4
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi mài thép SKS3 ....... 6
1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 7
1.6. Tình hình nghiên cứu ngồi nước........................................................ 9

xiii


1.7. Kết luận chương 1 ............................................................................. 11
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................... 12
2.1. Độ nhám bề mặt chi tiết khi mài ....................................................... 12
2.2. Phân tích yếu tố đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài trịn ngồi ........ 12
2.3. Lực cắt khi mài trịn ngồi ................................................................. 12

2.3.1. Phương trình cơ bản để xác định lực cắt.......................................... 12
2.3.2. Xác định lực cắt bằng thực nghiệm ................................................. 13
2.4. Rung động khi mài trịn ngồi ............................................................ 15
2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................. 15
Chương 3: XÂY DỰNG MỘT SỐ MƠ HÌNH TỐN KHI MÀI TRỊN
NGỒI THÉP SKS3 ............................................................................. 16
3.1.Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm ....................................................... 16
3.1.1. Máy mài trịn .................................................................................. 16
3.1.2. Đá mài ............................................................................................ 17
3.1.3. Chi tiết gia công.............................................................................. 18
3.1.4. Thiết bị đo độ nhám ........................................................................ 18
3.2. Phương pháp thực nghiệm ................................................................. 19
3.2.1. Khái niệm về phương pháp RSM .................................................... 19
3.2.2. Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi mài.................. 20
3.2.3. Thiết kế thí nghiệm ......................................................................... 20
3.3. Kết luận chương 3 ............................................................................. 27
Chương 4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM…….……………..28
4.1. Phương trình hồi quy thực nghiệm ..................................................... 33
4.2. Phân tích phương sai.......................................................................... 33
4.3. Biểu đồ phân bố tần số Histogram ..................................................... 34
4.4. Biểu đồ phần dư chuẩn hóa Normal P-P Plot ..................................... 35
4.5. Biểu đồ tác dụng chính của các yếu tố ............................................... 36
4.6. Đánh giá ảnh hưởng tương tác giữa các biến...................................... 38
4.7. Đồ thị đáp ứng bề mặt và đường mức ................................................ 38
4.8. Tối ưu hóa ......................................................................................... 41
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................. 43

xiv

Kết luận .................................................................................................... 43
Kiến nghị.................................................................................................. 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 45

xv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Diễn giải nội dung

Đơn
vị

Vct

Tốc độ của chi tiết

m/ph

Sd

Lượng chạy dao dọc

m/ph

t

Chiều sâu cắt

mm

WA

Kí hiệu của đá mài loại mềm

GC

Kí hiệu của đá mài loại cứng

RSM

Response surface methodology

CCD

Central Composite Designs

nc

Số thí nghiệm ở tâm

N
QHTN

Số biến thiết kế
Quy hoạch thực nghiệm
Các thí nghiệm phân bố trên các

na

trục tọa độ

nc

Thí nghiệm tại tâm

Q
f

Là tổng số thí nghiệm
Là số nhân

xvi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Là hình dạng lớp cắt của một hạt mài ........................................ 4
Hình 1.2: Cấu tạo của đá mài .................................................................... 5
Hình 1.3: Các thơng số hình học của lưỡi cắt đá mài ............................... 6
Hình 1.4: Độ nhẵn bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố(Vct, Sd, t) ................ 7
Hình 2.1: Độ nhấp nhơ của bề mặt mài .................................................... 12
Hình 2.2: Lực cắt khi mài Py>Pz>Px ......................................................... 13
Hình 3.1: Máy mài trịn ........................................................................... 16
Hình 3.2: Đá mài ..................................................................................... 17
Hình 3.3: Sửa đá mài bằng đầu kim cương .............................................. 18
Hình 3.4: Kích thước của chi tiết ............................................................. 18
Hình 3.5: Mài chi tiết ............................................................................... 18

Hình 3.6: Máy đo độ nhám Mitutoyo ...................................................... 19
Hình 3.7: Thiết kế hỗn hợp trung tâm (CCD) ........................................... 21
Hình 3.8: Thiết kế thí nghiệm kiểu Box-Behnken 3 yếu tố...................... 23
Hình 3.9: Cách kiểm tra độ nhám của chi tiết sau khi thí nghiệm ............. 25
Hình 3.10: Các chi tiết sau khi thí nghiệm ............................................... 25
Hình 3.11: Biểu đồ đo độ nhám chi tiết sau khi thí nghiệm ...................... 25
Hình 4.1: Đồ thị Histogram các ảnh hưởng của các biến .......................... 35
Hình 4.2: Đồ thị ảnh hưởng chuẩn hóa của các biến ................................ 36
Hình 4.3: Đồ thị ảnh hưởng của các biến t, Sd, Vct.................................. 37
Hình 4.4: Đồ thị tương tác ảnh hưởng của các biến .................................. 38
Hình 4.5: Biểu đồ mối quan hệ giữa Ra với t và Sd ................................. 39
Hình 4.6: Đồ thị mối quan hệ giữa Ra với t và Vct .................................. 40
Hình 4.7: Đồ thị mối quan hệ giữa Ra với Sd và Vct ............................... 41
Hình 4.8: Đồ thị tối ưu hó và số liệu kết quả tối ưu hóa ........................... 42

xvii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của đá ........................................................ 17
Bảng 3.2: Các mức cho các yếu tố đầu vào khi thí nghiệm...................... 22
Bảng 3.3: Bảng ma trận mã hóa thí nghiệm Box-Behnken 3 yếu tố ......... 23
Bảng 3.4: Thiết kế ma trận thí nghiệm Box-Behnken theo Minitab ......... 24
Bảng 3.5: Thông số đầu vào và đầu ra của Ratb, Rztb .............................. 26
Bảng 3.6: Thông số đầu vào và đầu ra của Ra, cần đưa vào sử lý ............. 27
Bảng 4.1: Hệ số hồi quy Ra cho các biến mã hóa được tìm từ Minitab ..... 29
Bảng 4.2: Bảng hệ số hồi quy được xuất từ minitab 16.0 ............................... 29
Bảng 4.3: Các hệ số của phương trình hồi quy ......................................... 30
Bảng 4.4: Các hệ số hồi quy Ra sử dụng dữ liệu chưa chuẩn hóa ............. 30
Bảng 4.5: Các hệ số của phương trình hồi quy khi sử dụng dữ liệu chưa mã

hóa ........................................................................................................... 31
Bảng 4.6: Phân tích thí nghiệm theo phương sai cho Ra........................... 33

xviii


ĐẶT VẤN ĐỀ

1. Lý do chọn đề tài.
Mài là phương pháp gia cơng tinh đạt độ chính xác cao và cấp độ nhám bề mặt 810. Do đặc điểm như vậy nên mài thường được chọn làm phương pháp gia công tinh
lần cuối cho các chi tiết trước hoặc sau khi nhiệt luyện và nó quyết định đến chất
lượng bề mặt sản phẩm. Trong những năm gần đây, nghề khuôn mẫu đang phát triển
thì khơng thể thiếu được ngun cơng mài. Từ mài phẳng đến mài tròn tùy theo từng
sản phẩm. Ví dụ các sản phẩm khi mài trịn là mài trụ trịn, mài cơn, mài bạc, mài
pin, mài chốt hồi…
Mài được đánh giá là một quá trình chiến lược và là chìa khóa để đạt được chất
lượng bề mặt cho các sản phẩm cơng nghệ cao. Mài có thể gia công được các loại vật
liệu mềm đến rất cứng như là nhôm và hợp kim. Mỗi vật liệu mài tương ứng các loại
đá mài ví dụ như đá mài WA dùng để mài các vật liệu mền như các loại thép thong
thường, còn đá mài GC dùng để mài các vật liệu cứng hay các vật liệu sau khi nhệt
luyện.
Hiện tại thì các cơng ty gia cơng khn trên thị trường hiện nay không thể thiếu
được nguyên công mài.
Với yêu cầu cạnh tranh ngày càng cao về chất lượng sản phẩm và giá thành thì
việc ứng dụng các thành tựu trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, điều khiển, nhất
là trí tuệ nhân tạo để xây dựng mơ hình đa mục tiêu với mục đích lựa chọn chế độ cắt
tối ưu nhằm thỏa mãn đồng thời về chất lượng sản phẩm và năng suất gia cơng có
một ý nghĩa rất lớn. Ngoài ra việc xây dựng và giải được bài tốn tối ưu hóa đa mục
tiêu sẽ đóng góp một phần vào việc điều khiển thích nghi q trình mài các loại thép,
giúp người điều khiển máy có thể linh hoạt trong việc điều chế độ cắt sao cho phù

hợp với mỗi cơng đoạn của q trình gia cơng. Do đó, tác giả đã lựa chọn đề tài
nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt màì bằng vật liệu SKS3
một trong những vật liệu gia công các chi tiết trong khuôn.

1


2. Mục đích nghiên cứu
Tối ưu hóa việc chọn chế độ cắt (tốc độ quay của trục chính, lượng chạy dao,
chiều sâu cắt) cho q trình mài trịn ngồi trên thép SKS3, nhằm đảm bảo cả về
năng suất và chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết gia công.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là q trình mài trịn ngồi trên thép SKS3
trước khi nhiệt luyện.
Phạm vi nghiên cứu: Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến chất lượng của sản
phẩm cuối cùng khi mài. Trong luận văn chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt
(số vịng quay của trục chính, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) đến chất lượng bề mặt
mài của vật liệu SKS3 trên máy mài trịn ngồi.
4. Phương pháp nghiên cứu


Ứng dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) và thực nghiệm. Áp dụng ma

trận sang lọc Box-Behnken, phương án cấu trúc có tâm (CCD). Dùng phần mềm
minitab và matlab để sử lý kết quả thí nghiệm.
5. Cấu trúc của luận văn


Phần mở đầu.



Chương 1: Tổng quan.



Chương 2: Cơ sở lý thuyết.



Chương 3: Xây dựng một số mơ hình tốn học khi mài trịn ngồi thép SKS3



Chương 4: Thực nghiệm mài trên thép SKS3.



Chương 5: Kết luận và kiến nghị.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu và tìm ra phương pháp lấy chế độ cắt để tối ưu hóa

quá trình sản xuất, lấy chất lượng bề mặt khi mài thép SKS3 trên máy mài trịn
ngồi.
Ý nghĩa thực tiễn: Việc hoàn thành luận văn sẽ là cơ sở khoa học cho việc nghiên
cứu áp dụng vào thực tế sản xuất để điều khiển q trình mài trịn ngồi nhằm mục
đích đạt được chất lượng sản phẩm tốt với mức chi phí sản xuất nhỏ khi mài thép
SKS3.

2

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về phương pháp mài tròn ngồi
Máy mài trịn là một máy cắt gọt đa năng, có khả năng gia cơng tinh các mặt trụ
ngồi của chi tiết đạt độ chính xác cao về hình dáng, kích thước và độ nhẵn bóng bề
mặt. Các phương pháp mài trịn ngồi là gia cơng chính xác các bề mặt hình trụ, hình
cơn bên ngồi đạt bộ bóng cao từ các loại vật liệu khác nhau.
Có nhiều loại máy mài trịn ngồi tùy theo u cầu kỹ thuật và điều kiện cơng
nghệ.
Các kiểu máy mài trịn ngồi bao gồm máy mài có tâm và máy mài khơng tâm,
máy mài dụng cụ cắt.
Yêu cầu của chi tiết gia công tinh trên máy mài trịn vạn năng cần đạt được độ
chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao, nên phải đạt được yêu cầu kỹ thuật sau:


Đảm bảo độ chính xác về kích thước.



Đạt độ đồng tâm giữa các bề mặt trụ với đường tâm chi tiết .



Đảm bảo độ sai lệch về hình dạng hình học, độ cơn, độ ô van…trong phạm vi

cho phép.


Độ nhẵn bóng bề mặt

1.2. Quá trình cắt gọt khi mài
Là qúa trình cắt gọt chi tiết bằng dụng cụ cắt là đá mài, tạo ra rất nhiều phoi vụn
do sự cắt và cà miết của các hạt mài vào vật gia công.

3


Hình 1.1: Là hình dạng lớp cắt của một hạt mài
Mài có những đặc điểm khác với những phương pháp gia công cắt gọt khác như
tiện, phay, bào như sau.


Đá mài là dụng cụ cắt có nhiều lưỡi cắt với các góc cắt khác nhau, bán kính

góc lượn ở đỉnh của hạt mài, hướng của góc cắt sắp xếp hỗn loạn, khơng thuận lợi
cho việc thốt phoi.


Tốc độ cắt khi mài rất cao, cùng một lúc trong một thời gian ngắn có nhiều hạt

mài tham gia cắt gọt và tạo ra nhiều phoi vụn.


Độ cứng của hạt mài cao do đó có thể mài được các vật liệu rất cứng.



Hạt mài có độ giịn cao nên dễ thay đổi hình dạng, lưỡi cắt dễ bị vỡ vụn nên

trong quá trình cắt thường xuyên phải sửa đá mài để tạo ra lưỡi cắt mới.


Do nhiều lưỡi cắt tạo ra không giống nhau tạo ra ma sát làm cho chi tiết gia

công bị nung nóng rất nhanh và nhiệt độ vùng cắt rất lớn vì vậy khi mài dung dich
tưới nguội cần phải xả nhiều.
1.3. Đá mài
Vật liệu dùng để làm đá mài bao gồm có nhơm ơxit, kim cương nhân tạo, kim
cương tự nhiên và các hợp chất hóa học như Silic cacbua, Bo cacbit, Boron Nitride,
Chất kết dính. Trong đó nhơm ơ xit chiếm tới 75% cịn các thành phần khác và độ
tinh khiết của nhơm ơxit tùy theo tính chất gia công.

4


Hình 1.2: Cấu tạo của đá mài

1. Hạt mài, 2. Chất keo, 3. Khoảng trống
Chất kết dính bao gồm các chất keo Keramic (gốm G), chất keo vuncanic (V), chất
keo bakêlit (B).
Tùy theo đặc tính, áp lực tác dụng lên đá trong quá trình mài và dung dịch làm
nguội mà ta chọn chất dính kết cho phù hợp.
Kích thước của hạt mài cũng phụ thuộc vào tính chất gia cơng kích thước đó được
làm theo tiêu chuẩn ΓOCT ví dụ như kích thước hạt mài từ (200-160)μm mài vật liệu
phi kim. Từ (50-40) μm mài thô những chi tiết và dụng cụ cắt đồng, gang đúc. Từ
(25-10) μm mài sửa tinh, mài tinh chi tiết, các loại dao tiện bằng hợp kim cứng, thép
gió, gang trắng. Từ (10-6) μm mài tinh những chi tiết có độ bóng và độ chính xác

cao, các loại dụng cụ đo kiểm. Từ (12-4) μm mài ren, mài sửa có độ nhẵn từ cấp 8 trở
lên. Từ (12-4) μm mài nghiền các chi tiết và các loại dụng cụ nhiều lưỡi cắt có độ
bóng cao. Từ (12-4) μm mài khôn xi lanh, mài mỏng, mài rà. Theo tài liệu [1] trang
26
Hình dáng hình học của mỗi hạt mài: Các hạt mài thường có hình dáng hình học
khơng giống nhau, góc sắc thường lớn hơn 900, góc trước thường âm (γ < 0), do đó
khơng thuận lợi cho q trình cắt và thốt 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.
5


Hình 1.3: Các thơng số hình học của lưỡi cắt đá mài
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
khơng 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.
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi mài thép SKS3


Ảnh hưởng của lượng chạy dao: Là sự dịch chuyển của bàn máy khi phơi quay

được một vịng, đơn vị tính là mm/vịng, kí hiệu là Sd. Lượng chạy dao có ảnh hưởng
đến độ nhẵn bề mặt của chi tiết mài, hình 1.5a sẽ biểu diễn sự phụ thuộc đó.


Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết: Nếu tăng tốc độ quay của chi tiết mài

thì độ nhẵn bề mặt giảm, như hình 1.5b hồnh độ biểu thì tốc độ quay của chi tiết
Vct(m/phút).


Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t: Chiều sâu mài tăng, độ nhẵn bề mặt giảm như

hình 1.5c biểu thị sự tương quan giữa chiều sâu mài và độ nhẵn bề mặt(mm).

6


a, Sd(mm/v)

b, Vct(m/p)

c, t(μm)

Hình 1.4: độ nhẵn bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố(Vct, Sd, t)


Ảnh hưởng độ hạt của đá mài: Độ nhẵn bề mặt của chi tiết mài phụ thuộc vào

độ hạt của đá mài, nếu độ hạt càng lớn thì (kích thước hạt mài càng nhỏ) đá mịn thì
độ nhẵn càng cao.


Ảnh hưởng của tốc độ quay của đá mài: Thường dùng trong khoảng 28-35

(m/s) có thể dùng tốc độ cao tới 60m/s gọi là mài nhanh.



Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội: Khi mài cần dùng dung dịch trơn nguội

để làm tăng độ nhẵn và chất lượng sản phẩm mài. Dung dịch trơn nguội có tác dụng
có tác dụng làm giảm ma sát giữa đá và vật mài, giảm nhiệt độ vùng mài nên chất
lượng bề mặt mài chi tiết tăng lên. Dung dịch cần phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tinh
khiết, ít tạp chất, phải lọc sạch cặn bã của phoi kim loại và hạt mài.


Ảnh hưởng của quy trình sửa đá mài: Thơng thường thì sau khi mài thơ xong

ta phải sửa đá sau đó mài tinh lại thì chất lượng bề mặt mài sẽ tốt hơn. Mỗi lần sửa đá
khoảng 0.02-0.05. Theo tài liệu[1] trang 18,19
Có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy mài
tròn nhưng trong luận văn này chỉ nghiên cứu 3 yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề
mặt mài trên thép SKS3 (tốc độ quay của trục chính, lượng chạy dao dọc, chiều sâu
cắt). Vì các yếu tố này khi sử dụng máy mài thì người sử dụng phải có kinh nghiệm
hiểu biết để điều chỉnh máy sao cho phù với vật liệu gia công, phù hợp với đá và yêu
cầu kỹ thuật đã đề ra.
1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về mài. Các lĩnh vực nghiên cứu về
mài rất đa dạng. Khi nghiên cứu về mài, các nhà nghiên cứu tập trung giải quyết các

7


vấn đề liên quan đến máy mài, đá mài, chế độ cắt, chất lượng bề mặt mài… Một số
hướng nghiên cứu chính đó là:
- Hướng nghiên cứu 1: Năm 2015 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 trịn xoay.
Tác giả Nguyễn Anh Tuấn trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, với Mục đích là xây
dựng được bài tốn 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 là q trình mài tinh định hình
rãnh trịn 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 cơng nghệ đến mịn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết
mài. Trên cơ sở đó, thực hiện xác định chế độ cơng nghệ tối ưu và thời điểm sửa đá
hợp lý khi mài tinh định hình rãnh trịn xoay. Ứng dụng phương pháp hồi quy thực
nghiệm đã xác định được phương trình tốn học thể hiện mối quan hệ giữa bốn thơng
số chế độ công nghệ (Shk, Vct, t, Nct) với độ mịn đá, độ nhám bề mặt và độ ơ van
của đường kính đáy rãnh lăn khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi 6208.
- Hướng nghiên cứu 2: Năm 2015 nghiên cứu,Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài
thép hợp kim trên máy mài trịn ngồi của tác giả Nguyễn Tuấn Linh trường Đại học
Bách khoa Hà Nội với mục tiêu nghiên cứu là xây dựng bài tốn tối ưu đa mục tiêu
cho q trình mài trịn ngồi trên thép hợp kim với mục đích tìm ra được chế độ cắt
tối ưu nhằm đảm bảo cả về năng suất và độ nhám. Tác giả đã sử dụng phương pháp
taguchi để xác định được các biến điều khiển chính của chế độ cắt và vật liệu gia
cơng để làm cơ sở cho việc xây dựng các mơ hình toán học.
- Hướng nghiên cứu 3: Năm 2014 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công
nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công trên máy mài phẳng. Của tác giả
Nguyễn Tuấn Nhân trường Đại học Đà Nẵng với mục đích xử lý kết quả độ nhám
của các mẫu thí nghiệm được mài ở các chế độ mài khác nhau bằng phương pháp
thực nghiệm, từ đó đưa ra cơng thức tính độ nhám của một vật liệu cụ thể khi mài với
một chế độ cắt cụ thể, khi được mài trên thép các bon. Dựa vào phương pháp quy

8

hoạch thực nghiệm và phần mềm Matlap để xác định mối quan hệ ảnh hưởng của các
thông số công nghệ mài với đầu ra là chất lượng bề mặt chi tiết mài.
1.6. Tình hình nghiên cứu ngồi nước.
- Hướng nghiên cứu 1.
- Nghiên cứu về đá mài trong đó tập trung nghiên cứu về chiến lược lựa chọn cặp
vật liệu đá mài và phôi, nghiên cứu chế tạo các loại đá mài từ các vật liệu hạt mài
mới có độ cứng và khả năng cắt cao, nghiên cứu nâng cao chất lượng chế tạo đá mài
và hoàn thiện kết cấu của đá mài… Theo hướng nghiên cứu trên, một số các cơng
trình khoa học tiêu biểu như sau:
Năm 1971 tác giả R.Kopecky người Tiệp khắc đã trình bày những kinh nghiệm
đạt được khi sử dụng các đá mài kim cương một lớp để mài định hình chính xác các
chi tiết có hình dạng phức tạp từ những vật liệu cứng trên máy mài phẳng. Trong
nghiên cứu này, tác giả đã tìm hiểu một số các dạng đá mài kim cương định hình để
mài một số dạng chi tiết khác nhau. Qua thực nghiệm, tác giả đưa ra kết luận việc sử
dụng đá mài kim cương định hình đã giúp giảm được 40% khối lượng công việc,
giảm được 50% thời gian gia cơng và 25% chi phí gia cơng. Đồng thời tác giả cũng
tiến hành khảo sát đánh giá đặc tính mịn đá và năng suất mài với đá mài có các độ
hạt khác nhau. Ngoài ra, trong nghiên cứu này tác giả cũng đã xây dựng được mối
quan hệ giữa tốc độ ăn dao và năng lượng tiêu thụ với tốc độ quay của đá mài khi
mài định hình bằng đá mài kim cương. Tuy nhiên, tác giả mới chỉ tiến hành khảo sát
với trường hợp mài định hình trên máy mài phẳng, chưa đưa ra được phương pháp để
đo lượng mòn của đá mài, chưa khảo sát đánh giá ảnh hưởng của chế độ mài đến
mòn đá và độ chính xác của chi tiết.
Năm 2005, tác giả Yoshio Ichida, Ryunosuke Sato, Yoshitaka Morimoto và
Yoshihiro Inoue đã nghiên cứu phát triển một loại vật liệu hạt mài CBN đa tinh thể
mới. Từ đó, nhóm tác giả đã tiến hành thử nghiệm mài định hình một rãnh hình chữ
V trên máy mài phẳng để đánh giá hiệu quả cắt của vật liệu hạt mài CBN mới (hình
1.6). Tuy nhiên mới chỉ thực hiện khảo sát đối với trường hợp là mài định hình trên
máy mài phẳng mà chưa thực hiện khảo sát đối với các trường hợp mài khác như mài

định hình trịn xoay ngồi, mài định hình lỗ … Đặc biệt, yếu tố mòn của đá mài cũng

9


như ảnh hưởng của các yếu tố chế độ công nghệ đến năng suất gia cơng, độ chính xác
của chi tiết mài và tuổi bền của đá mài chưa được nghiên cứu.
Hướng nghiên cứu 2: Nghiên cứu về các yếu tố công nghệ và xác định ảnh hưởng
của các yếu tố cơng nghệ đến độ chính xác gia cơng cũng như tuổi bền của đá mài ...
từ đó hướng đến việc xác định chế độ công nghệ tối ưu. Theo hướng nghiên cứu trên,
một số các cơng trình khoa học tiêu biểu như sau.
Năm 1996 tác giả Yan Li đã nghiên cứu phát triển một hệ thống thông minh trên cơ
sở mạng noron nhân tạo để lựa chọn các điều kiện mài. Tuy nhiên, tài liệu chưa thực
hiện nghiên cứu đối với trường hợp mài định hình.
Năm 2009 tác giả Di Ilio, A. Paoletti, D. D’Addona đã thực hiện đánh giá các đặc
trưng trong quá trình mài vật liệu phi truyền thống MMCs. Từ đó, nhóm tác giả đã
đưa ra được các hàm quan hệ thực nghiệm giữa các thành phần lực cắt và độ nhám bề
mặt chi tiết với các thơng số đặc trưng trong q trình mài MMCs. Đồng thời, nhóm
tác giả cũng đã xây dựng được mối quan hệ thực nghiệm giữa độ nhám bề mặt chi
tiết với thành phần lực tiếp tuyến riêng. Đây sẽ là cơ sở lý thuyết để hướng đến ý
tưởng giám sát độ nhám bề mặt chi tiết mài thông qua lực tiếp tuyến đo được trong
quá trình mài. Các hàm quan hệ thực nghiệm này có thể được sử dụng để đánh giá
mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến quá trình mài cũng như chất
lượng gia công của các vật liệu phi truyền thống MMCs. Tuy nhiên, các dữ liệu thí
nghiệm mới chỉ dừng lại ở việc tiến hành thực nghiệm trên máy mài phẳng.
Năm 2011 tác giả H. Baseri, G. Alinejad đã nghiên cứu ứng dụng mơ hình mạng
mờ nơron (ANFIS) để xác định độ nhám bề mặt trong quá trình mài. Các dữ liệu
trong mơ hình có được từ kết quả thực nghiệm khi tiến hành thí nghiệm với đá mài
được thực hiện sửa đá bằng mũi kim cương sửa đá. Trong đó, các thơng số đầu vào
của mơ hình là tốc độ quay của dụng cụ sửa đá, chiều sâu cắt và tốc độ cắt khi sửa

đá; thông số đầu ra là độ nhám bề mặt. Trong q trình thí nghiệm, các thơng số
trong q trình mài là khơng đổi và chỉ có các thơng số trong q trình sửa đá là thay
đổi. Trên cơ sở đó, một mơ hình mạng ANFIS với 64 luật đã được thực hiện để dự
đoán giá trị độ nhám bề mặt ứng với ba thông số sửa đá khác nhau là tốc độ cắt,
chiều sâu cắt và lượng chạy dao. Các giá trị độ nhám bề mặt do ANFIS dự đốn có
kết quả sát với các kết quả thu được từ thực nghiệm. Tuy nhiên, mơ hình này chưa

10


xét đến ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt khi mài đến mòn đá và độ nhám bề
mặt chi tiết. Trong khi đây là những thơng số có ảnh hưởng nhiều đến kết quả mài.
Như vậy, các công trình nghiên cứu ở trên sẽ giúp xác định được mối quan hệ giữa
các thông số chế độ công nghệ với các kết quả đầu ra của quá trình mài. Tuy nhiên
đây mới chỉ là bước đệm để hướng đến xác định chế độ cắt tối ưu. Với sự phát triển
mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật thì việc ứng dụng các thành tựu trong lĩnh vực công
nghệ thông tin đã mang đến những hướng nghiên cứu mới để giải bài tốn tối ưu trên.
Năm 2002, trong cơng trình nghiên cứu của tác giả R.Saravanan, P.Asokan,
M.Sachidanandam đã ứng dụng giải thuật di truyền (GA) để giải bài toán tối ưu hóa
đa mục tiêu cho q trình mài phẳng thép cacbon, dựa trên một số hàm lý thuyết đã
được xây dựng trước đó (như hàm năng suất, hàm giá thành, hàm độ nhám).
Sau đó, năm 2007 trong cơng trình nghiên cứu của tác giả A. Slowik cũng đề cập
và giải quyết các vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài phẳng tương tự như
trong cơng trình nghiên cứu chỉ khác ở chỗ cơng trình nghiên cứu giải quyết bài tốn
trong phạm vi hẹp và sâu hơn đó là tập tối ưu Pareto tức xét trong vùng lời giải khả
thi mà khơng có lời giải nào vượt trội hơn.
1.7. Kết luận chương 1
Tổng quan về quá trình mài, bản chất của thép SKS3 và bài tốn tối ưu hóa khi
mài trịn ngồi thép SKS3.
Thép SKS3 là tên theo tiêu chuẩn IJS của nhật bản. Là vật liệu quan trọng và nó

có những tính chất đặc biệt khác với thép cacbon thông thường, thép SKS3 được
dùng để chế tạo các chi tiết cần có độ cứng cao như là các chi tiết trong khn vì sau
khi nhiệt luyện độ cứng của thép có thể đạt 58HRC-62HRC cịn trước khi nhiệt luyện
đạt 190HB-217HB. Thành phần hóa học của SKS3 gồm C= 0,95%, Si= 0,7%, Mn=
0,5-1%, Cr= 0,753%, W= 0,75%. Chính vì vậy việc nghiên cứu vấn đề mài trịn
ngồi thép SKS3 có ý nghĩa thực tiễn cao.

11


Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Độ nhám bề mặt chi tiết khi mài
- Độ nhám lý tưởng là độ nhám được đưa ra trên lý thuyết.
- Độ nhám thực nghiệm là độ nhám sau khi làm thực nghiệm ta đo độ nhám trực tiếp
trên chi tiết. Trong quá trình gia cơng, bề mặt mài được hình thành do sự cắt gọt của
các hạt đá mài vào bề mặt chi tiết. Q trình này có thể mơ tả như hình 2.1, mặc dù
bề mặt có độ bóng rất cao nhưng trên bề mặt chi tiết ta vẫn thấy có những vết nhấp
nhơ dạng sóng, biểu thị cho các cấp độ nhẵn của bề mặt Ra và Rz.

Hình 2.1: Độ nhấp nhơ của bề mặt mài
2.2. Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài tròn ngoài.
- Ảnh hưởng của chế độ cắt
+ Ảnh hưởng của lượng chạy dao dọc
Khi tăng Sd thì biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng lớn hơn do đó
nhám bề mặt tăng.
+ Ảnh hưởng của chiều sâu cắt
Khi tăng chiều sâu cắt thì rung động trong quá trình cắt tăng do đó nhám bề mặt
tăng.

+Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết
Khi tăng tốc độ quay của chi tiết sẽ làm tăng dao động và dẫn đến nhám bề mặt tăng.
2.3. Lực cắt khi mài tròn ngồi
2.3.1. Phương trình cơ bản để xác định lực cắt

12


Lực cắt khi mài không lớn bằng tiện, phay, bào nhưng cũng phải tính tốn cơng suất
truyền động của động cơ và ảnh hưởng nó đến chất lượng và độ chính xác khi mài.
Lực cắt khi mài được phân tích trên sơ đồ hình 2.2. Lực cắt khi mài p được phân tích
ra các lực thành phần Px lực hướng trục. Py lực hướng kính. Pz là lực tiếp tuyến
vng góc với lực cắt. Pz có tác dụng tách phoi trong q trình cắt, được tính theo
cơng thức sau:
Pz = Cp . Vct . S . t . 10(N)
Trong đó:
Vct: là tốc độ quay của chi tiết mài
S: Lượng chạy dao(mm/vòng)
t: Chiều sâu cắt(mm)
Cp : Hệ số phụ thuộc vào vật liệu. Với thép đã tôi Cp =2.2, thép không tôi Cp =2.1,
gang Cp =2.0
Thực nghiệm đã cho thấy rằng khi mài lực hướng kính Py lớn hơn Pz từ 1 đến 3 lần :
Py =(1-3) Pz. Đây là sự khác biệt của lực cắt khi mài so với khi tiện, phay, bào.
Lực Py ảnh hưởng đến độ cứng vững của hệ thống công nghệ ( máy, chi tiết, đá mài)
theo trích dẫn [1] trang 13

Hình 2.2: Lực cắt khi mài Py>Pz>Px
2.3.2. Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố đến lực cắt khi mài trịn ngồi
- Ảnh hưởng của chế độ cắt

13


Chế độ cắt nói chung có ảnh hưởng lớn đến lực cắt, khi tăng các thông số của chế độ
cắt (S, V, t) thì lực cắt tăng lên do năng lượng cần phải bóc tách một khối lượng vật
liệu lớn hơn.
- Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu chi tiết gia công
Khi tăng độ bền và độ cứng của vật liệu gia công sẽ làm giảm hệ số co rút phoi và độ
lớn trượt tương đối, làm giảm công biến dạng và công tạo phoi, tức là làm giảm lực
cắt. Mặt khác khi giảm độ bền và độ cứng thì tải trọng lên bề mặt trượt tương ứng sẽ
tăng làm tăng cơng biến dạng, cơng tạo phoi và do đó tăng lực cắt.
- Ảnh hưởng của kích thước chi tiết gia cơng
Khi mài thơ, kích thước của chi tiết gia cơng có ảnh hưởng đến lực cắt. Khi đường
kính d1 < d2 với cùng một chiều sâu cắt t thì năng lượng để hớt bỏ thể tích vật liệu V2
sẽ lớn hơn, dẫn đến lực cắt khi mài chi tiết 2 lớn hơn so với lực cắt khi mài chi tiết 1.
- Ảnh hưởng của quá trình tạo phoi
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. Những hạt mài có điều kiện cắt không thuận lợi (như trường hợp các hạt mài bị
mịn ở đỉnh lưỡi cắt) thì chỉ xảy ra giai đoạn 1 hoặc giai đoạn 2, hoặc cả giai đoạn 1
và giai đoạn 2 . Trong q trình mài ln 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 cơng, trong khi q trình cày và trượt sẽ ảnh hưởng tới các đặc trưng
của bề mặt vừa được hình thành.
- Ảnh hưởng của ứng suất dư
Sự tồn tại của ứng suất dư bên trong chi tiết có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng làm
việc của chi tiết. Nếu ở bên mặt vật mài có những lớp ứng suất dư nén thì chất lượng

bề mặt của chi tiết sẽ tốt, tăng độ bền. Có thể tạo ra ứng suất này bằng cách phun bi
vào bề mặt chi tiết gia công, lăn, miết… Khi mài nếu chọn chế độ mài hợp lý, giảm
độ mài cũng tạo ra ứng suất dư nén ở bề mặt.

14


- Ngược lại nếu ở lớp bề mặt chi tiết gia cơng có nhiều lớp ứng suất dư kéo thì chất
lượng bề mặt của chi tiết giảm dễ gây rạn nứt và bị phá hủy đột ngột. Trích dẫn [1]
trang 20
2.4. Rung động khi mài trịn ngồi
Rung động của một đối tượng là một trạng thái chuyển động qua lại của đối tượng
đó quanh một vị trí cân bằng. Rung động bao gồm rung động cưỡng bức và rung
động tự kích thích.
2.5. Kết luận chương 2
Độ nhám bề mặt khi mài theo lý thuyết và thực nghiệm rất khác nhau và nó phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố.
Cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa một số đại lượng sẽ là những định hướng cho
các vấn đề nghiên cứu thực nghiệm, là thông tin thực nghiệm để thiết kế thực nghiệm
và xây dựng bài toán tối ưu.

15


Chương 3

XÂY DỰNG MỘT SỐ MƠ HÌNH TỐN HỌC KHI
MÀI TRỊN NGỒI THÉP SKS3
3.1. Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm
3.1.1 Máy mài tròn

- Hãng sản xuất: JAINNHER MACHINE CO
- Model: JHU-2706H
Thông số kỹ thuật của máy
Max. Allowable Surface Speed: 2000m/mim
Max. Thickness of Wheel: 55mm
Max. Wheel O.D 405mm
Power supply: 380v
Total power: 6,375 Hz
Macchina weight: 3150kg
Grinding wheel size Ø 405 x(25-50) x 127
Packing size L(8040mm), W(2250mm), H(2100mm)

s
Hình 3.1: Máy mài trịn

16


3.1.2 Đá mài
- Loại đá mài: WA60H 405x50x127

Hình 3.2: Đá mài

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của đá.
Thông số

Đơn vị

Giá trị

Đường kính vịng ngồi của đá

mm

Ф405

Đường kính trong của đá

mm

Ф127

Chiều dày của đá

mm

50

Bán kính của rãnh lăn

mm

0÷15

Tốc độ quay của trục chính đá mài

m/s

33

Dụng cụ sửa đá: Đầu sửa đá kim cương.

17