Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim ti 6al 4v bằng đá mài cBN trang 2 3,5 8,17 180

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

Phí Trọng Hùng

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT
GIA CÔNG KHI MÀI PHẲNG CHI TIẾT HỢP KIM TI-6AL-4V
BẰNG ĐÁ MÀI cBN
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Trương Hoành Sơn
2. PGS.TS Hoàng Văn Gợt

Hà Nội - 2021


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

Nghiên cứu sinh

I

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... II
MỤC LỤC ............................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .........................................VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................X
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................ XI
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ
MÀI cBN.. .................................................................................................................. 4
1.1. Hợp kim Titan và đá mài cBN ..................................................................... 4
1.1.1. Hợp kim Titan .......................................................................................... 4
1.1.1.1 Đặc tính và ứng dụng ........................................................................... 4
1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể ................................................................................... 4
1.1.1.3 Tính gia cơng cắt gọt của hợp kim Titan ............................................. 6
1.1.2. Hạt mài và đá mài cBN ............................................................................ 9
1.1.2.1 Hạt mài cBN ......................................................................................... 9
1.1.2.2 Đá mài cBN ........................................................................................ 10
1.2. Mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN ............................................ 14
1.2.1. Mài phẳng .............................................................................................. 14
1.2.1.1 Khái niệm ........................................................................................... 14
1.2.1.2 Các phương pháp mài phẳng ............................................................. 14
1.2.1.3 Các thơng số đặc trưng cho q trình mài phẳng.............................. 15
1.2.2. Mài hợp kim Titan ................................................................................. 16
1.2.2.1 Tính mài của hợp kim Titan ............................................................... 16
1.2.2.2 Đặc điểm khi mài hợp kim Titan ........................................................ 16
1.2.3. Mài hợp kim Titan bằng đá mài cBN .................................................... 24
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ............................................... 24

1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước .......................................................... 24
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 27
1.3.3. Nhận xét ................................................................................................. 28
1.4. Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .............................................. 28
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................... 28

III


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG
ĐÁ MÀI cBN ........................................................................................................... 29
2.1. Hình học và động học của quá trình mài phẳng....................................... 29
2.1.1. Chiều dài tiếp xúc hình học và chiều dài tiếp xúc thực ......................... 29
2.1.2. Đường cắt .............................................................................................. 29
2.1.3. Chiều dày phoi chưa biến dạng ............................................................. 31
2.2. Cơ chế mài .................................................................................................... 32
2.2.1. Phoi mài ................................................................................................. 32
2.2.2. Lực mài, công suất mài và năng lượng mài riêng ................................. 33
2.2.3. Năng lượng riêng và hiệu ứng kích thước ............................................. 34
2.2.4. Lực cắt khi hạt mài bị mòn phẳng ......................................................... 35
2.2.5. Năng lượng trượt, năng lượng cày xước và năng lượng tạo phoi ......... 38
2.3. Đặc điểm của quá trình mài hợp kim Titan bằng đá mài cBN ............... 40
2.4. Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm mát đến quá trình mài ............. 41
2.4.1. Yêu cầu của dung dịch bôi trơn làm mát ............................................... 41
2.4.2. Cơ chế bôi trơn làm mát và ảnh hưởng đến q trình mài .................... 41
2.4.3. Bơi trơn làm mát có bổ sung chất bôi trơn thể rắn ................................ 42
2.4.3.1 Giới thiệu chung ................................................................................. 42
2.4.3.2 Tấm nano graphite tách lớp (xGnP) .................................................. 42
2.4.3.3 Bo Nitrit lục giác (hBN) ..................................................................... 42
2.4.3.4 Đặc tính của hạt nano xGnP-M25 và hBN-K05 ................................ 43

2.5. Ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công
khi mài .......................................................................................................... 44
2.5.1. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt ....................... 44
2.5.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến biến cứng bề mặt ................ 47
2.5.3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến năng suất gia công .............. 48
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................... 48
Chương 3. MƠ HÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...... 49
3.1. Mô hình thực nghiệm .................................................................................. 49
3.1.1. Máy gia cơng ......................................................................................... 49
3.1.2. Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội............................................... 51
3.1.3. Đá mài cBN ........................................................................................... 51
3.1.4. Chi tiết mài ............................................................................................ 52
3.1.4.1 Phôi thực nghiệm................................................................................ 52
3.1.4.2 Cấu trúc tinh thể của hợp kim Ti64 ủ và Ti64 tôi .............................. 52
3.1.5. Các loại dung dịch bôi trơn làm mát ..................................................... 53
3.1.5.1 Dầu nhũ tương PV Cutting Oil........................................................... 54
IV


3.1.5.2 Dầu cắt gọt tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ ...................................... 54
3.1.5.3 Bột bôi trơn thể rắn ............................................................................ 54
3.1.6. Dụng cụ sửa đá ...................................................................................... 55
3.2. Thiết bị đo lường ......................................................................................... 55
3.2.1. Panme đo ngồi...................................................................................... 55
3.2.2. Kính hiển vi điện tử qt ....................................................................... 56
3.2.3. Đồng hồ so ............................................................................................. 57
3.2.4. Thiết bị đo lực cắt .................................................................................. 57
3.2.5. Máy đo nhám bề mặt ............................................................................. 57
3.2.6. Máy đo độ cứng tế vi bề mặt ................................................................. 58
3.3. Lựa chọn các thông số thực nghiệm và xác định phương pháp thực

nghiệm .......................................................................................................... 59
3.3.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ................................................... 59
3.3.2. Thông số thực nghiệm ........................................................................... 59
3.3.3. Phương pháp thực nghiệm ..................................................................... 59
3.3.3.1 Thực nghiệm 01 – Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất
lượng bề mặt ................................................................................................... 59
3.3.3.2 Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ giữa chế độ bôi trơn làm mát
với chất lượng bề mặt ..................................................................................... 60
3.3.3.3 Thực nghiệm 03 – Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt
nhỏ nhất… ...................................................................................................... 60
3.4. Mơ hình hóa q trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn ......... 61
3.4.1 Mô hình phần tử hữu hạn....................................................................... 61
3.4.1.1 Mơ hình vật liệu.................................................................................. 62
3.4.1.2 Tiêu chuẩn phá hủy vật liệu ............................................................... 63
3.4.1.3 Điều kiện biên và định luật tiếp xúc ................................................... 63
3.4.1.4 Kiểm nghiệm lại mơ hình phần tử hữu hạn ........................................ 64
3.4.2 Kết quả mơ phỏng .................................................................................. 64
3.4.2.1 Q trình tạo phoi .............................................................................. 64
3.4.2.2 Lực cắt ................................................................................................ 65
3.4.2.3 Nhiệt độ bề mặt phôi .......................................................................... 66
3.4.3 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 68
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................... 68
Chương 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................. 69
4.1. Thực nghiệm 01 - Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng
bề mặt ........................................................................................................... 69
V


4.1.1. Nhám bề mặt .......................................................................................... 69
4.1.1.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao ........................................................... 69

4.1.1.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ............................................................. 70
4.1.2. Cấu trúc tế vi bề mặt .............................................................................. 70
4.1.2.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao ........................................................... 70
4.1.2.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ............................................................. 72
4.1.3. Độ cứng tế vi bề mặt .............................................................................. 72
4.1.4. Xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa
chế độ công nghệ và nhám bề mặt ......................................................... 72
4.1.4.1 Mài khô ............................................................................................... 72
4.1.4.2 Mài ướt (dầu tổng hợp 2%) ................................................................ 74
4.1.5. Nhận xét và Đánh giá ............................................................................ 76
4.2. Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ giữa chế bộ bôi trơn làm mát
với chất lượng bề mặt .................................................................................. 76
4.2.1. Nhám bề mặt .......................................................................................... 76
4.2.1.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao ........................................................... 76
4.2.1.2 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát ............................................ 77
4.2.2. Cấu trúc tế vi bề mặt .............................................................................. 80
4.2.2.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ .......................................................................... 80
4.2.2.2 Hợp kim Ti-6Al-4V tôi ........................................................................ 82
4.2.3. Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề
mặt ......................................................................................................... 83
4.2.3.1 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến nhám bề
mặt………. ...................................................................................................... 83
4.2.3.2 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến độ cứng tế vi
bề mặt……. ..................................................................................................... 83
4.2.4. Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 84
4.2.4.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ .......................................................................... 84
4.2.4.2 Hợp kim Ti-6Al-4V tôi ........................................................................ 84
4.2.4.3 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề
mặt………. ...................................................................................................... 84
4.3. Thực nghiệm 03 - Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt

nhỏ nhất ........................................................................................................ 84
4.3.1. Thực nghiệm và kết quả ........................................................................ 84
4.3.2. Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 86
4.4. Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ ............................................................ 86
VI


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Mài là một phương pháp gia cơng tinh chiếm vị trí quan trọng trong gia cơng cơ
khí. Ưu điểm nổi bật của nó là có khả năng đạt được độ chính xác cao và nhám bề
mặt thấp (độ chính xác cấp 6, nhám bề mặt Ra ≤ 1,6). Trong đó, mài phẳng là phương
pháp mài có năng suất cao do gá đặt chi tiết dễ dàng, tốn ít thời gian [1].
Cho đến nay đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về mài phẳng được thực hiện trong
nước cũng như trên thế giới. Khi nghiên cứu về mài, các nhà khoa học tập trung giải
quyết các vấn đề liên quan đến đến máy mài, đá mài, chi tiết mài cũng như chế độ
cắt, nhiệt cắt và dung dịch trơn nguội. Tuy nhiên, các nghiên cứu về mài phẳng ở Việt
Nam trước đây chủ yếu thực hiện trên vật liệu gia công là các loại thép và dụng cụ
cắt là đá mài cacbit silic, ơ-xít nhơm, kim cương, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên
sâu về mài hợp kim titan bằng đá mài cBN.
Hợp kim titan là loại vật liệu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác
nhau như hàng không, ô tơ, động cơ, tuabin khí, hạt nhân, y sinh (làm khung và động
cơ máy bay, cánh tuabin hơi nước, tên lửa, tàu biển, thiết bị hóa học và y sinh học).
Chúng có các các tính chất cơ lý vượt trội như tỉ số độ bền trên trọng lượng lớn, giới
hạn đàn hồi cao, tính chống ăn mịn rất tốt, độ dai lớn và tính tương thích sinh học
tốt. Ngồi ra, titan còn bền và cứng khi nhiệt độ lên tới 550°C. Tuy nhiên, nó cũng
có những nhược điểm như dễ phản ứng hóa học với dụng cụ cắt, tính dẫn nhiệt kém,
nhiệt dung riêng lớn và ứng suất hóa cứng cao làm năng suất gia công thấp và tuổi
bền của dao ngắn. Tính dẫn nhiệt kém của titan khiến nhiệt độ tại vùng cắt và ứng
suất nhiệt trên lưỡi cắt tăng. Do hợp kim titan bền ở nhiệt độ cao nên nhiệt độ tăng

khơng có lợi vì dao sẽ bị mềm nhiệt. Titan phản ứng hóa học với hầu hết vật liệu dụng
cụ cắt. Phản ứng này tăng lên khi nhiệt độ tăng làm dao bị mịn và bám dính, lưỡi cắt
bị bong tróc, xây xát và hình thành lẹo dao. Mặc dù lực cắt khi gia công titan xấp xỉ
với thép, nhưng ứng suất trên lưỡi cắt lớn hơn nhiều. Ứng suất cơ học này và ứng
suất nhiệt do ma sát giữa phoi và dao khiến mặt trước dao bị mịn lõm. Phoi khi gia
cơng titan có dạng răng cưa làm tăng rung động khiến lưỡi cắt bị sứt mẻ [2].
Ứng suất, nhiệt độ và rung động là những nguyên nhân chính gây ra hư hỏng và
làm giảm tuổi bền dụng cụ. Những yếu tố này xuất hiện nhiều hơn khi gia cơng những
vật liệu khó cắt gọt. Do đó, vật liệu dao nào có thể chịu được ứng suất, nhiệt độ và
rung động lớn thì sẽ phù hợp để gia công hợp kim titan [3]. cBN là vật liệu cứng thứ
hai chỉ sau kim cương, nóng chảy ở nhiệt độ 2730°C nên có độ bền nhiệt cao. Vật
liệu cBN ổn định hóa học, khơng bị ơ-xi hóa ở 1300°C, trong khi kim cương bị graphit
hóa ở 900°C. Với các đặc tính ưu việt này, dụng cụ cắt cBN thường được sử dụng để
gia cơng các vật liệu khó cắt gọt. Chúng có thể gia cơng hợp kim titan ở tốc độ cắt
cao hơn nhiều dụng cụ gốm hoặc hợp kim cứng.
Các nghiên cứu về mài phẳng hợp kim titan bằng đá mài cBN trước đây thường
tập trung vào các hướng: (1) Đánh giá ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến
chất lượng gia công; (2) So sánh khả năng gia công của các loại đá mài cBN khác
nhau; (3) Cơ chế mòn và nứt vỡ của hạt mài cBN; (4) Cải tiến quá trình mài hợp kim
Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN; mà chưa có cơng trình khoa học nào nghiên cứu sâu về
1


ảnh hưởng của chế độ công nghệ tới chất lượng bề mặt và năng suất gia cơng, từ đó
xác định chế độ công nghệ tối ưu để đạt năng suất gia công tối đa đồng thời đảm bảo
nhám bề mặt yêu cầu của chi tiết mài. Đây cũng chính là lý do lựa chọn đề tài luận
án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và
năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN”.

2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu
Xác định được ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt chi tiết và năng
suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa
phenol. Từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu để nâng cao năng suất gia công và
đảm bảo nhám bề mặt yêu cầu.
2.2 Đối tượng nghiên cứu
Mài phẳng vật liệu hợp kim Titan Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa
phenol.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết để xác
định mức độ ảnh hưởng của một số yếu tố như lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt và
chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, biến cứng bề
mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công. Thực nghiệm nhằm kiểm chứng mức
độ ảnh hưởng của các yếu tố nói trên đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công.
2.4 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế
độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề
mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V
bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol trên trung tâm gia công CNC cao tốc.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1 Ý nghĩa khoa học
- Xác định mối quan hệ giữa một số yếu tố với chất lượng bề mặt và năng suất gia
công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol.
- Tối ưu hóa để xác định lượng tiến dao và chiều sâu cắt phù hợp nhằm nâng cao năng
suất gia công và đảm bảo nhám bề mặt.
3.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tiễn nhằm góp phần nâng cao hiệu
quả kinh tế kỹ thuật của quá trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN
liên kết nhựa phenol.

- Kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu
khoa học và sản xuất thực tế khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN
liên kết nhựa phenol.
2


4. Những đóng góp mới
Đã xác định được mối quan hệ giữa các yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt,
chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi
bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol.

5. Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm bốn chương cụ thể như sau:
- Chương 1: Tổng quan về mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN.
Nghiên cứu đặc điểm chung của hợp kim Titan và đá mài cBN, đặc điểm của quá
trình mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN, phân tích đánh giá những cơng trình
nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến mài phẳng
hợp kim Titan bằng đá mài cBN. Trên cơ sở đó xác định được những vấn đề mà luận
án cần tập trung nghiên cứu giải quyết.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá
mài cBN; cơ sở lý thuyết về bôi trơn làm mát; ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất
lượng bề mặt và năng suất gia công. Kết quả nghiên cứu của chương làm cơ sở cho
nghiên cứu ở các chương sau.
- Chương 3: Mơ hình, vật liệu và phương pháp nghiên cứu.
Xây dựng mơ hình thực nghiệm, phân tích lựa chọn các trang thiết bị đo lường.
Lựa chọn các thông số thực nghiệm. Xác định phương pháp thực nghiệm và phương
pháp quy hoạch thực nghiệm. Mơ hình hóa q trình mài phẳng bằng phương pháp
phần tử hữu hạn. Đây là tiền đề quan trọng để thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của
một số yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công.

- Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
Xác định mối quan hệ giữa các yếu tố như lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế
độ bôi trơn làm mát với nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và
năng suất gia công. Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để tìm ra chế độ
cơng nghệ tối ưu.

3


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM
TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN
1.1. Hợp kim Titan và đá mài cBN
1.1.1. Hợp kim Titan
1.1.1.1 Đặc tính và ứng dụng
Titan và các hợp kim của nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành cơng
nghiệp do có các đặc tính ưu việt, một trong số đó là tỉ số độ bền trên trọng lượng
cao. Độ bền của titan vượt trội hầu hết các kim loại khác trong khi khối lượng riêng
chỉ bằng hơn một nửa so với thép. Đặc tính này vẫn được duy trì ở nhiệt độ cao nên
titan cịn được sử dụng trong động cơ máy bay. Người ta có thể thay thế thép hoặc
niken bằng hợp kim titan với độ bền tương đương, trong khi trọng lượng giảm tới
40%. Việc dùng hợp kim titan trong động cơ tuabin khí đã phát triển đến mức chúng
chiếm khoảng 25% trọng lượng của các động cơ tuabin khí mới nhất.
Hợp kim titan có tính dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt thấp hơn so với thép và niken.
Tính giãn nở nhiệt thấp làm giảm ứng suất nhiệt bên trong các chi tiết có chênh lệch
nhiệt độ giữa các phần khác nhau lớn [3].
Hợp kim titan có tính chống ăn mịn tốt và tồn tại lâu dài được trong nước biển,
trong khi các vật liệu xây dựng bằng kim loại khác thường có tuổi thọ ngắn. Mơi
trường ăn mịn như vậy cũng rất phổ biến trong ngành cơng nghiệp dầu khí. Ngồi
ra, titan cịn có độ đàn hồi lớn, phù hợp để chế tạo các chi tiết cần độ dẻo dai cao và
hạn chế vết nứt. Đặc tính phi từ tính khiến titan được sử dụng làm chất nền ổ cứng

trong công nghiệp máy tính nhằm tăng khả năng lưu trữ dữ liệu. Do có tính trơ hóa
học hay tính tương thích sinh học tốt nên titan là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng
y tế như cấy ghép [4].
Hợp kim titan được sử dụng phổ biến nhất là Ti-6Al-4V, chiếm đến 50% thị trường
titan. Đây là một hợp kim titan dạng alpha-beta chứa 6% nhơm và 4% Vanadi theo
khối lượng. Nó có độ bền, độ dai và tính chống ăn mịn rất tốt. Hợp kim titan này
thường được sử dụng trong công nghiệp hàng khơng (làm cánh máy nén khí và tuabin
khí, khung máy bay), nồi áp suất và cấy ghép phẫu thuật [5].
1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể
Titan có hai dạng cấu trúc tinh thể là pha alpha (hcp) và pha beta (bcc). Ở nhiệt độ
bình thường, titan có cấu trúc tinh thể pha alpha dạng lục giác bó chặt (hcp). Nó trải
qua biến đổi thù hình ở nhiệt độ 882°C để chuyển sang pha beta dạng khối thể tâm
(bcc). Pha này ổn định cho đến khi titan nóng chảy ở nhiệt độ 1668°C. Hình 1.1 mơ
tả hai dạng thù hình của titan. Nhiệt độ chuyển pha (β- nhiệt độ chuyển pha) sẽ thay
đổi nếu trong hợp kim có thêm các nguyên tố khác [6].
Bổ sung nhôm (Al), Galium (Ga), ô-xy (O), Ni-tơ (N) và cacbon (C) vào titan sẽ
làm tăng nhiệt độ chuyển pha của nó. Các nguyên tố này được gọi là chất ổn định pha
alpha. Ngược lại, thêm các nguyên tố như Vanadi (V), Molipden (Mo), Niobium
(Nb), sắt (Fe), Crôm (Cr), Niken (Ni), Mangan (Mn) và Coban (Co) làm giảm nhiệt
4


độ chuyển pha. Do đó, chúng được gọi là chất ổn định pha beta. Các nguyên tố ít ảnh
hưởng đến nhiệt độ chuyển pha như thiếc (Sn) và Ziconi (Zr) gọi là ngun tố trung
tính.

Hình 1.1 Các dạng tinh thể của titan tinh khiết [7]

Do được kết hợp với nhiều nguyên tố khác nhau nên hợp kim Titan có thể chia
thành các loại chính như sau ([3], [5]):

Hợp kim alpha là hợp kim titan đơn pha bao gồm một chất ổn định pha alpha và
một số nguyên tố hợp kim trung tính khác. Nhơm thường được dùng làm chất ổn định
pha alpha (ví dụ như hợp kim Ti-5Al-2.5Sn). Hợp kim alpha có tính chống rão và độ
bền kéo ở nhiệt độ cao tốt hơn hợp kim alpha-beta và beta. Hợp kim alpha không thể
nhiệt luyện được do cấu trúc tế vi của chúng không thay đổi sau khi nhiệt luyện. Do
độ bền kéo giảm đi khi nhiệt độ lớn hơn 300ºC, chúng chủ yếu được sử dụng trong
các ứng dụng làm lạnh sâu hoặc những nơi cần tính chống ăn mòn tốt. Hợp kim alpha
thường được sử dụng là Ti-5Al-2.5Sn.
Hợp kim gần alpha là hợp kim alpha có chứa một lượng nhỏ chất ổn định pha beta,
do người ta đã chứng minh được rằng khả năng làm việc và độ bền của hợp kim titan
có thể được cải thiện sau khi thêm một lượng nhỏ (1–2%) chất ổn định beta. Hợp kim
này chứa chủ yếu pha alpha với một ít pha beta và có đặc tính giống hợp kim alpha
bình thường hơn hợp kim alpha-beta. Do tương đồng cao với hợp kim alpha, hợp kim
gần alpha có khả năng làm việc ở nhiệt độ từ 400 đến 520ºC. Vì vậy, chúng thường
được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, đặc biệt là làm các chi tiết phải
chịu nhiệt độ cao của động cơ phản lực. Ti 8-1-1 (Ti-8Al-1Mo-1V) và IMI 685 (Ti6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si) là một số thành viên thuộc về họ hợp kim titan này.
Hợp kim alpha-beta: Nếu thêm vào titan lượng chất ổn định beta lớn hơn (4–6%)
so với hợp kim gần alpha (1–2%) thì sẽ tạo ra một loại hợp kim titan mới là hợp kim
alpha-beta. Ở nhiệt độ bình thường, hợp kim này là hỗn hợp của các pha alpha và
beta, có thêm chất ổn định pha alpha và beta. Sau khi nhiệt luyện, hợp kim này chứa
nhiều pha beta hơn hợp kim gần alpha. Lượng pha beta phụ thuộc vào lượng chất ổn
định pha beta và quá trình nhiệt luyện. Nhiệt luyện giúp cải thiện độ bền khiến cho
hợp kim titan này trở thành lựa chọn chủ yếu trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao (350–
5


400ºC). IMI 550 (Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si) và đặc biệt là Ti 6-4 (Ti-6Al-4V) là các
hợp kim titan thuộc nhóm này được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp.
Hợp kim beta nửa bền: Sau khi tăng thêm lượng chất ổn định pha beta (10–15%),
pha beta được giữ lại trong trạng thái nửa bền ở nhiệt độ phòng. Các hợp kim beta

nửa bền có chứa một lượng nhỏ chất ổn định alpha để tăng độ bền. Chúng có độ dẻo
lớn, độ bền cao, độ cứng tốt và có thể rèn được trong một khoảng nhiệt độ rộng. Họ
hợp kim titan này là ứng cử viên tiềm năng cho các kết cấu trong ngành hàng khơng
vũ trụ.
Hợp kim beta: Hợp kim beta có nhiều chất ổn định pha beta (30%) và ít chất ổn
định pha alpha. Hợp kim beta có độ bền cao, chứa chủ yếu là cấu trúc dạng khối thể
tâm, có thể tăng cứng bằng cách kết tủa pha alpha mịn. Ưu điểm quan trọng của hợp
kim beta là độ thấm tôi cao, tính rèn cao và tính tạo hình nguội tốt. Do có khối lượng
riêng lớn và độ dẻo thấp nên họ hợp kim titan này thường được dùng trong một số
ứng dụng đặc biệt yêu cầu khả năng chống cháy và chống ăn mịn tốt.

Hình 1.2 Cấu trúc tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V ( - pha tối,  - pha sáng) [6]

Nếu phân loại theo ứng dụng thì hợp kim Titan có thể chia thành hai nhóm chính.
Nhóm thứ nhất là hợp kim chống ăn mịn và nhóm thứ hai là hợp kim kết cấu (có độ
bền cao). Hợp kim chống ăn mịn gồm có hợp kim alpha. Hợp kim kết cấu bao gồm
hợp kim gần alpha, alpha-beta, beta nửa bền và beta.
1.1.1.3 Tính gia cơng cắt gọt của hợp kim Titan
Tính gia cơng được định nghĩa là tính dễ hay khó cắt gọt của một loại vật liệu. Gia
công là loại bỏ một lớp vật liệu phôi, thường là kim loại, bằng dụng cụ cắt. Tính gia
cơng cắt gọt khơng phải là đại lượng có thể đo trực tiếp với đơn vị là cấp độ hay số
mà phải được định lượng dựa trên các thơng số khác có thể đo lường được. Các thông
số này bao gồm công suất cắt, chất lượng bề mặt sau khi gia công, tuổi bền dụng cụ
và tạo phoi ([3], [8]).
Nói chung, mặc dù vật liệu cứng thường khó cắt, nhưng các vật liệu khó cắt khơng
nhất thiết phải cứng. Thơng thường, các loại vật liệu có tính gia cơng tốt có thể cắt
gọt tương đối dễ dàng với công suất nhỏ. Chất lượng bề mặt sau khi gia công cao,
dụng cụ cắt mòn chậm, đồng nghĩa với tuổi bền dài hơn. Ngược lại, vật liệu có tính
cắt gọt kém sẽ có cơng suất cắt lớn, dụng cụ mòn nhanh và chất lượng bề mặt thấp.
Người ta cũng nhận thấy phần lớn các dụng cụ có hiệu suất tốt khi gia cơng các vật

6


liệu khác đã cho thấy hiệu suất từ trung bình đến kém khi cắt gọt hợp kim titan. Tính
khó gia công của titan là kết hợp của các đặc điểm sau [6].
-

Tính dẫn nhiệt kém:

Titan có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp và độ dẫn nhiệt rất kém so với các kim loại
kết cấu khác như sắt, niken và nhơm. Tính dẫn nhiệt của titan α (cao nhất trong số
các hợp kim titan) chỉ bằng một phần tư của sắt và một phần mười của nhôm [3].
Khi gia công cắt gọt, nhiệt sinh ra rất nhiều trong vùng cắt. Hầu hết nhiệt này được
tạo thành khi phôi bị biến dạng dẻo dưới tác dụng của lưỡi cắt (vùng cắt thứ nhất)
như trong Hình 1.3. Biến dạng dẻo sinh ra năng lượng và chuyển hóa thành nhiệt
năng. Nhiệt cũng sinh ra do ma sát giữa phoi và dụng cụ (vùng cắt thứ hai). Nhiệt
lượng còn lại xuất hiện khi bề mặt sau gia cơng cọ xát với vùng mịn (vùng cắt thứ
ba) là vùng nằm dọc theo mặt sau của dao. Nhiệt sinh ra khi gia cơng có lợi vì nó làm
mềm cục bộ phơi khiến việc cắt gọt trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, nhiệt lượng quá
lớn nếu không được phân tán hợp lý sẽ làm hư hỏng dụng cụ cắt và giảm chất lượng
bề mặt phơi.

Hình 1.3 Sơ đồ vùng cắt và tạo phoi [3]

Khi gia công cắt gọt, nhiệt sinh ra được phân tán theo bốn cách. Phần lớn nhiệt
được truyền vào dụng cụ, phoi và chi tiết, phần nhỏ hơn (thường là không đáng kể)
truyền vào mơi trường xung quanh. Tính dẫn nhiệt kém của titan làm chậm q trình
phân tán nhiệt ra ngồi mơi trường nên nhiệt tập trung nhiều trong vùng cắt. Nhiều
nghiên cứu chỉ ra rằng, trong một nguyên công cắt gọt thông thường, dụng cụ cắt hấp
thu 50% nhiệt lượng. Tuy nhiên, giá trị này tăng vọt lên đến 80% khi gia cơng hợp

kim titan. Có nghĩa là một lượng lớn nhiệt cắt đã truyền vào dụng cụ làm giảm tuổi
bền dụng cụ. Hình 1.4 mơ tả q trình phân tán nhiệt vào dao và phoi khi gia công
Ti–6Al–4V và thép CK45.
Nhiệt độ tập trung tại vùng cắt khi gia công hợp kim titan đôi khi lên đến 1100ºC.
Nhiệt độ cao gần vùng cắt nơi dao tiếp xúc với phơi có thể nhanh chóng làm cùn lưỡi
cắt. Việc tiếp tục gia công bằng dụng cụ cùn khiến nhiệt sinh ra nhiều hơn và làm
giảm tuổi bền của dao. Dụng cụ cắt nhanh hỏng không chỉ làm giảm năng suất
7


(thường xuyên phải thay dao) mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt chi
tiết. Ngoài ra, nhiệt độ cao cũng làm tăng mòn dao và tăng khuếch tán vật liệu phơi
vào lưỡi cắt.

Hình 1.4 Lượng nhiệt phân tán vào dao và phoi khi gia công Ti-6Al-4V và thép CK45 [6]

-

Phản ứng hóa học:

Tính trơ ở nhiệt độ thường khiến titan trở thành một trong những lựa chọn tốt nhất
cho cấy ghép y tế. Tuy nhiên, nó lại có ái lực hóa học mạnh khi nhiệt độ vượt quá
500ºC (thường gặp khi gia công). Ở nhiệt độ này, phản ứng hóa học xảy ra giữa titan
và dao đã nhanh chóng làm hỏng dụng cụ cắt. Hiện tượng này xuất hiện nhiều hơn
khi tốc độ cắt lớn do nhiệt lượng sinh ra nhiều. Do đó, phần lớn các dụng cụ cắt hiện
nay, ngay cả những loại cứng nhất, đều không phù hợp để gia công hợp kim titan.
-

Mô đun đàn hồi nhỏ:

Titan có tính đàn hồi cao nên nó là đối tượng lý tưởng cho những ứng dụng cần
vật liệu có tính dẻo cao và khơng bị nứt gãy. Tuy nhiên, đặc điểm này của titan lại
gây ra một số khó khăn cho q trình gia cơng. So với các kim loại khác, mô đun đàn
hồi của titan tương đối nhỏ khiến phôi bị biến dạng nhiều hơn khi tác dụng cùng một
lực có độ lớn xác định. Trong q trình gia cơng, khi dụng cụ tác dụng lực cắt vào
phôi, phôi thường bị bật ra khiến lưỡi cắt cọ xát với bề mặt phơi thay vì cắt gọt, nhất
là khi gia công phôi mỏng. Phôi bị uốn cong theo chu kỳ khi cắt gọt sinh ra rung động
khiến chất lượng bề mặt giảm.
-

Hiệu ứng hóa cứng:

Khi cắt gọt, nhiệt độ vùng cắt tăng đột biến khiến cho hiện tượng khuếch tán vào
vật liệu phôi tăng nhanh. Vùng cắt được bao quanh bởi khơng khí chứa các phân tử
Ni-tơ và Ơ-xi. Các phân tử này có thể khuếch tán vào phôi khi nhiệt độ là 600 – 700°C
trở lên, làm hóa cứng lớp bề mặt phơi khiến việc gia cơng khó khăn hơn. Hiện tượng
khuếch tán cũng xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa dao và phoi khi phoi trượt trên mặt trước
của dao [3].
Ngoài ra, ở nhiệt độ cao như vậy, hầu hết các kim loại đều bị mềm nhiệt và giảm
độ bền. Do đó, mềm nhiệt có thể coi là một hiện tượng tích cực khi nó làm giảm lực
cắt và công suất cắt. Tuy nhiên, titan vẫn duy trì độ bền vượt trội ở nhiệt độ cao. Ưu
8


điểm này khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng nhưng lại gây ra
một số khó khăn cho q trình gia cơng. Để làm biến dạng dẻo titan và tạo phoi cần
phải có cơng suất cắt gọt cao hơn. Công suất cắt gọt cao và biến dạng dẻo lớn sẽ làm
tăng cứng đáng kể bề mặt phơi. Hiện tượng đó được gọi là sự cứng nguội.
1.1.2. Hạt mài và đá mài cBN
1.1.2.1 Hạt mài cBN

a) Cấu trúc tinh thể của hạt mài cBN
Nitride Bo dạng khối (cBN) là loại hạt mài mới nhất do Bob Wentorf thuộc Đội
Siêu áp tại công ty GE phát minh ra. Ở trạng thái bình thường, Bo Nitride là một chất
bột trơn màu trắng với tên gọi h-BN (hoặc α-BN), có cấu trúc nguyên tử phân lớp
hình lục giác, giống với graphit, nhưng các nguyên tử Nitơ và Bo xếp xen kẽ nhau
thay vì Cacbon. Wentorf nhận thấy vật liệu này có những đặc điểm về cấu trúc và
liên kết tương đồng với than chì, nên đã sử dụng một loại dung mơi với nhiệt độ thích
hợp để phát triển một cấu trúc tinh thể dạng khối với tên gọi cBN (hoặc β-BN). Hạt
cBN khơng có trong tự nhiên mà được tổng hợp nhân tạo dưới áp suất và nhiệt độ
cao giống như kim cương. Tuy nhiên, tính chất hóa học của nó lại hồn tồn khác
kim cương. cBN khơng có ái lực với các kim loại chuyển tiếp mặc dù dung mơi tạo
nên nó là các oxide, boride và nitride kim loại, phổ biến nhất là Li3N. cBN được
thương mại hóa bởi cơng ty GE vào năm 1969 dưới tên gọi Borazon [8].
Giống như kim cương, có thể kiểm sốt được hình dạng hạt cBN trong quá trình
tổng hợp bằng cách khống chế tốc độ phát triển trên mặt phẳng bát diện (111) và mặt
phẳng lập phương (100) bằng nhiệt độ và áp suất. Nói chung, tinh thể thường có hình
dạng cuối cùng là một tứ diện vát mép (Hình 1.5). Ngồi ra, nó cịn có hình bát diện
hoặc bát diện lập phương. Bo Nitride dạng khối không màu nhưng hạt mài cBN
thương mại có màu hổ phách với nhiều sắc thái, từ nâu đến đen, phụ thuộc vào mức
độ và loại tạp chất lẫn trong đó. Đặc biệt, màu đen là do dư thừa nguyên tố Bo (Hình
1.6).
Bát diện

Tứ diện

Bát diện lập phương

Hình 1.5 Các hình thái phát triển của tinh thể cBN [9]

9

Hình 1.6 Một số hạt mài cBN thương mại [9]

b) Các loại hạt mài cBN được sử dụng để chế tạo đá mài
Nếu phân chia theo có lớp phủ hay khơng có lớp phủ, hạt mài cBN bao gồm hai
loại [10]:
- Borazon cBN loại 1 là hạt mài khơng có lớp phủ được sử dụng để chế tạo đá mài
cBN liên kết kim loại (Niken).
- Borazon cBN loại 2 là các hạt cBN có phủ niken được sử dụng để chế tạo đá mài
liên kết nhựa (Phenolic hoặc Polyamide).
1.1.2.2 Đá mài cBN
a) Tổng quan về đá mài cBN
Đá mài CBN là loại đá mài mà vật liệu hạt mài là cBN. Đến năm 1994, khoảng
25% quá trình mài ở Nhật Bản, 15% ở Châu Âu và 10% ở Mỹ sử dụng đá mài cBN.
Do ưu điểm của hạt mài cBN nên đá mài cBN ngày càng được sử dụng rộng rãi trong
lĩnh vực mài [10].
Về nhiều mặt thì hạt mài cBN và hạt mài kim cương khá giống nhau. Cả hai cùng
có cấu trúc mạng tinh thể dạng khối và tính dẫn nhiệt cao. Tuy vậy chúng cũng có
những tính chất hết sức khác biệt. Ví dụ, kim cương thiên về graphit hóa (khi nhiệt
độ là 900°C) và dễ bị oxy hóa trong khơng khí, có phản ứng với các chi tiết gia công
chứa sắt ở nhiệt độ cao. Ngược lại, cBN thì ổn định, khơng bị ơ-xi hóa khi nhiệt độ
lên tới 1300°C và có thể gia cơng dễ dàng các chi tiết chứa sắt ([11], [6], [12]).
Do độ cứng rất cao và tốc độ mòn chậm nên gia cơng bằng đá mài cBN có khả
năng đạt độ chính xác cao. Loại đá mài này đòi hỏi sửa đá rất ít và có khả năng lấy đi
lượng dư đều đặn mà khơng cần bù mịn đá. Do tác động mài nguội (mài có bơi trơn
làm mát) nên rất ít hoặc khơng có hư hỏng bề mặt chi tiết [12]. Trong Hình 1.7 là ảnh
kính hiển vi điện tử qt (SEM) của (a) đá mài cBN mạ đồng và (b) đá mài cBN mạ
điện. Hình vẽ cho thấy sự nhơ lên rõ ràng của hạt mài so với chất kết dính, đặc biệt
là đá mài mạ điện, và độ sắc phần nhô lên của hạt mài. Đặc điểm này mang lại ưu thế

khi mài nguội và giúp đá mài có hệ số bóc gọt vật liệu cao.

10


Hình 1.7 Hình SEM của đá mài cBN: (a) đá mài cBN mạ đồng và (b) đá mài cBN mạ điện
[12]

Ở nhiệt độ trên 900°C, cBN có thể bị phân hủy do phản ứng hóa học với nước. Do
đó, cần thận trọng khi sử dụng dung dịch làm mát có chứa nước khi mài bằng đá mài
cBN. Các phản ứng này sẽ phá hủy nghiêm trọng hạt mài cBN và làm giảm nhanh
tuổi bền đá mài.
b) Đặc tính của đá mài cBN
Đá mài cBN có một số đặc điểm vượt trội so với đá mài thông thường. Các đặc
điểm này được liệt kê trong Bảng 1.1 và được mô tả như sau:
-

Tính dẫn nhiệt tốt: Đá mài cBN có tính dẫn nhiệt tốt (từ 200 đến 1300 W/mK ở
nhiệt độ thường), do đó có thể nhanh chóng phân tán nhiệt khỏi vùng cắt. Tính
dẫn nhiệt của cBN gần bằng kim cương, trong khi độ giãn nở nhiệt cao hơn kim
cương khoảng 20% [13].

-

Độ cứng cao: Độ cứng của hạt mài cBN ở nhiệt độ bình thường là khoảng 4500
kg/mm2, bằng một nửa kim cương và gấp đôi các hạt mài thông thường. Độ cứng
của cBN giảm khá nhanh ở nhiệt độ cao do cấu trúc tinh thể biến đổi thành dạng
lục giác. Tuy nhiên, giá trị này vẫn cao hơn hạt mài thông thường [8].

-

Hạt mài sắc hơn: Hạt mài cBN có lưỡi cắt sắc hơn và góc trước từ -30 đến -60 độ
(trong khi hạt mài bình thường là -60 đến -70 độ), nên giảm ma sát và nhiệt độ cắt
khi mài [5].

-

Tính chống mài mịn cao: Đá mài cBN mịn chậm hơn đá mài ơ xit nhơm và silic
cacbit do chúng có độ cứng cao hơn, cũng có nghĩa là hệ số mài lớn hơn. Tuy
nhiên, sự khác biệt về tính chống mài mịn lớn hơn nhiều so với độ cứng. Chênh
lệch độ cứng bằng 2 có thể chuyển thành chênh lệch tính chịu mài mịn từ 100 đến
1000 tùy theo vật liệu hạt mài [14].

-

Độ bền nhiệt tốt: cBN bền nhiệt trong ni-tơ hoặc chân không đến ít nhất 1500°C.
Trong không khí hoặc ô-xi, cBN tạo thành một lớp bảo vệ B2O3 trên bề mặt để
ngăn cản q trình ơ-xi hóa tới 1300°C. Tuy nhiên, lớp này phản ứng với nước,
chính xác hơn là hơi nước ở nhiệt độ 900°C [12].

11


Bảng 1.1 Đặc tính của các loại hạt mài khác nhau ở nhiệt độ thường [14]

Kim
cương
cBN
SiC
Al2O3

Độ cứng
Knoop,
HK, (GPa)
90

Hệ số dẫn
nhiệt
(W/mK)
600 - 2000

Khối lượng
riêng
(kg/m3)
3520

Nhiệt dung
riêng
(J/kgK)
511

Hệ số
khuếch tán
(mm2/s)
333 - 1110

40 - 70
24
21

240 - 1300
100
35

3480
3210
3980

506
710
765

136 - 738
44
11,5

c) Cấu trúc của đá mài cBN
Đá mài cBN được chế tạo ở dạng đơn lớp hoặc đa lớp [10].
(a)

(b)

(c)

Hình 1.8 Đá mài cBN liên kết (a) Nhựa; (b) Thủy tinh; (c) Kim loại [15]

Đá mài đa lớp: là loại đá mài có nhiều lớp hạt mài. Do hạt mài cBN có giá thành
cao nên đá mài cBN không được chế tạo nguyên khối như đá mài hạt mài truyền
thống mà được chế tạo thành một vành mỏng có chiều dày từ 3 - 5 mm (gồm nhiều
lớp hạt mài) sau đó dán lên cốt kim loại (Hình 1.8).

Đá mài đơn lớp: là loại đá mài chỉ có một lớp hạt mài trên bề mặt lõi kim loại. Đá
mài cBN đơn lớp nói chung rẻ hơn đá mài cBN đa lớp vì chúng chứa ít hạt mài cBN
hơn (Hình 1.9).

Hình 1.9 Đá mài cBN mạ điện [15]

d) Các phương pháp chế tạo đá mài cBN
-

Đá mài cBN đa lớp:

Đá mài cBN đa lớp chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp thiêu kết với chất
dính kết là thủy tinh và kim loại (niken), ngồi ra có thể chế tạo bằng phương pháp
lưu hóa (ở 150 - 200°C) với chất liên kết nhựa (Phenolic hoặc Polyamide). Hạt mài
12


được trộn đều với chất dính kết theo một tỉ lệ nhất định, ép thành khối theo hình dạng
của lớp đá mài yêu cầu, sau đó đưa đi thiêu kết hoặc lưu hóa. Sau khi thiêu kết hoặc
lưu hóa, các chất dính kết liên kết các hạt mài lại với nhau thành một khối. Cuối cùng
tiến hành dán lớp đá mài lên bề mặt lõi kim loại [10].
-

Đá mài cBN đơn lớp:

Đá mài cBN đơn lớp được chế tạo bằng ba phương pháp là phương pháp hàn cứng,
phương pháp mạ hóa học và phương pháp mạ điện.
Phương pháp hàn cứng: Đây là phương pháp gắn hạt mài lên lõi đá bằng kim loại
bằng cách sử dụng thuốc hàn hoạt hóa có độ thấm ướt cao. Khác với phương pháp
mạ, liên kết trong đá mài chế tạo bằng phương pháp hàn cứng là tạo ra phản ứng hóa

học với hạt mài, hợp kim hàn và lõi đá. Hợp kim hàn có thể chứa hai hoặc nhiều hơn
hai thành phần, trong đó ít nhất một thành phần có khả năng phản ứng hóa học mạnh
với ơ-xi, cacbon hoặc ni-tơ, là một trong các thành phần của các vật liệu hạt mài siêu
cứng. Phản ứng hóa học mạnh của các nguyên tử kim loại hoạt động trong thuốc hàn
với thành phần phi kim loại trong vật liệu hạt mài gây giảm hóa tính của các nguyên
tử hạt mài, do các nguyên tử kim loại hoạt động trong liên kết bị ơ-xi hóa, cacbua hóa
hoặc nitrit hóa ở vùng tiếp giáp với các hạt. Q trình này diễn ra trong giai đoạn
nóng chảy của thuốc hàn khi hàn, bởi vậy tạo ra liên kết rất chắc và có độ bền kéo
cao giữa chất dính kết, hạt mài và lõi đá. Các thành phần hoạt hóa phản ứng rất mạnh
với ơ-xi, do đó q trình hàn được thực hiện trong chân không [8].
Phương pháp mạ hóa học: Sử dụng phương pháp mạ hóa học niken – photpho
cùng với xử lý nhiệt cho phép tăng độ bền của lớp mạ điện niken. Phương pháp này
đặc biệt phù hợp với đá mài có chiều sâu profile lớn để tạo ra lớp phủ dày. Nhược
điểm của phương pháp này là năng suất thấp, giá thành thiết bị cao, nhiệt độ kết tủa
cao, dễ xuất hiện vết nứt do độ giòn của lớp liên kết.
Phương pháp mạ điện: Phương pháp mạ điện là phương pháp phổ biến để chế tạo
đá mài đơn lớp. Mạ điện là quá trình thực hiện ở nhiệt độ thấp (dưới 100°C), niken
khơng có phản ứng với cBN nên việc giữ hạt chủ yếu là giữ cơ học, chính vì vậy
chiều cao nhơ lên của hạt mài nhỏ hơn 50% đường kính hạt để đảm bảo lực giữ hạt
mài. Đá mài cBN chế tạo bằng phương pháp mạ điện có chứa một lớp hạt mài cBN
gắn trên lõi kim loại bằng lớp mạ niken [16].
e) Ứng dụng của đá mài cBN trong sản xuất
Hạt mài cBN được sử dụng bất cứ khi nào các hạt mài khác thể hiện các bất lợi
trong gia công, như về kinh tế (chi phí mài), năng suất, chất lượng (kích thước và
hình dạng), luyện kim (chất lượng bề mặt). Đá mài cBN được sử dụng trong rất nhiều
ứng dụng: Mài trịn ngồi, mài trịn trong, mài định hình, mài vô tâm, mài phẳng, mài
rãnh, mài ren, mài khuôn. Độ bền và độ cứng của nó khiến tuổi bền đá mài tăng cao.
Khi được sử dụng đúng, cBN có thể mài dễ dàng các vật liệu chứa sắt cũng như hợp
kim niken và coban. Khó khăn khi mài bằng cBN không phải về mặt kỹ thuật mà liên
quan đến giá thành của nó. Do đó, cần căn cứ vào nhu cầu cụ thể để quyết định dùng

loại đá mài nào [16].
cBN phù hợp để mài các vật liệu cứng và dai, như thép gió sê-ri M và T, và hợp
kim Niken do hạt mài thơng thường rất khó mài các vật liệu này. cBN cũng nên được
13


sử dụng để mài thép tôi độ cứng Rockwell (HRC) lớn hơn 50. Đối với thép mềm
(HRC 22) có thể sử dụng cBN để mài thơ do nó có hệ số bóc gọt vật liệu cao. cBN
cũng nên được dùng để mài các chi tiết có yêu cầu về độ chính xác kích thước và hình
dạng cao. Do mịn đá diễn ra chậm nên gia công bằng cBN sẽ dễ dàng đạt được chất
lượng gia cơng tốt (độ trịn, độ thẳng, độ phẳng, kích thước). Cuối cùng, nên sử dụng
đá mài cBN khi chi tiết cần đạt được chất lượng bề mặt cao, chẳng hạn như hạn chế
vết cháy, do nó có khả năng dẫn nhiệt tốt. Do hạt mài cBN duy trì được độ sắc lâu
hơn nên lực mài nhỏ, đồng thời tạo ra ứng suất dư nén thay vì ứng suất dư kéo trên
bề mặt gia cơng (ứng suất dư kéo có thể làm hư hỏng bề mặt) [11].

1.2. Mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN
1.2.1. Mài phẳng
1.2.1.1 Khái niệm
Đá mài là một loại dụng cụ cắt được chế tạo từ hạt mài, chất dính kết và các chất
phụ gia. Các hạt mài được liên kết với nhau bằng một loại vật liệu đặc biệt gọi là chất
dính kết. Giữa chất dính kết và hạt mài là các khe hở. Quá trình cắt khi mài phẳng
được thực hiện bởi vô số hạt mài gắn cưỡng bức trên bề mặt làm việc của đá mài [17].
1
Đá
mài
Trục
đá
mài

Bàn máy

Vòi phun

Mặt làm việc của đá
Phơi

2

Hình 1.10 Sơ đồ q trình mài phẳng [1]

Để quá trình cắt thực hiện được, dụng cụ (đá mài) và chi tiết phải có các chuyển
động cần thiết (Hình 1.10). Khi đá mài quay theo chiều mũi tên 1, cịn chi tiết có
chuyển động theo chiều mũi tên 2, các hạt mài nằm trên bề mặt làm việc của đá mài
sẽ bóc đi một lớp kim loại mỏng, tạo ra bề mặt gia công yêu cầu.
1.2.1.2 Các phương pháp mài phẳng
Mài phẳng bằng đá mài trụ: Được thực hiện khi bàn máy có chuyển động tịnh tiến
qua lại hoặc quay tròn. Trên các máy mài phẳng có bàn máy chuyển động tịnh tiến
qua lại, sau mỗi hành trình dọc, đá mài lại có dịch chuyển chạy dao theo phương
vng góc với phương chuyển động dọc của bàn máy [18].
Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu (đá chậu): Có năng suất cao hơn nhiều so với
mài bằng đá trụ vì số hạt mài tham gia đồng thời vào quá trình cắt cao hơn nhiều. Khi
mài bằng đá mài mặt đầu, bàn máy có chuyển động tịnh tiến qua lại hoặc quay tròn.
14


Sau mỗi hành trình dọc của bàn (hoặc vịng quay của nó nếu là bàn trịn) đá mài lại
có chuyển động tiến dao theo phương vng góc với phương chuyển động của bàn
máy. Tuy nhiên, thường thì mặt đầu đá phủ hết toàn bộ chiều rộng của chi tiết mài gá
trên bàn máy.

Hình 1.11 Bốn dạng mài phẳng: (a) Trục ngang và bàn máy tịnh tiến, (b) Trục ngang và
bàn máy quay, (c) Trục đứng và bàn máy tịnh tiến, (d) Trục đứng và bàn máy quay [1]

1.2.1.3 Các thông số đặc trưng cho quá trình mài phẳng
- Tốc độ cắt của đá v (m/s): Tốc độ cắt của đá khi mài phẳng được xác định theo công
thức [1]:

v=

πds n
(m/s)
1000  60

(1. 1)

trong đó ds là đường kính ngồi của đá mài (mm); n là số vòng quay của đá mài
(vòng/phút).
- Chiều sâu cắt t (mm): Là khoảng cách giữa bề mặt đang gia công và bề mặt đã gia
công đo theo phương vng góc với bề mặt gia cơng [19].
- Tốc độ tịnh tiến của phôi S (mm/ph): Là lượng dịch chuyển của phơi tính bằng
(mm/ph), nhiều khi cịn được gọi là lượng tiến dao dọc Sd [17].
- Lượng chạy dao ngang Sn (mm/htk): Là lượng dịch chuyển ngang của đá mài, tính
bằng (mm/hành trình kép) khi mài phẳng [18].
- Hệ số mài G: Là thể tích kim loại được bóc đi trên mỗi đơn vị thể tích mịn của đá
mài [19]. Hệ số này thường được tính như sau:
G

Vct
Vd

(1. 2)

trong đó Vct là thể tích vật liệu được bóc đi trong một đơn vị thời gian quy ước (mm3),
Vd là thể tích vật liệu đá mài bị tiêu hao cũng trong thời gian nói trên (mm3). Hệ số
mài G thường được xác định cho chế độ mòn ổn định của đá mài và được gọi là độ
mòn tương đối.

15


1.2.2. Mài hợp kim Titan
1.2.2.1 Tính mài của hợp kim Titan
Các tiêu chuẩn để đánh giá tính mài của một vật liệu là hệ số mài, hệ số bóc gọt
vật liệu, chất lượng bề mặt và tạo phoi. Titan có tính mài kém do khả năng dẫn nhiệt
thấp, giới hạn chảy và độ bền kéo tốt ở nhiệt độ cao, mơ đun đàn hồi tương đối thấp,
có xu hướng phản ứng hóa học mạnh khi nhiệt độ cắt cao (> 500°C) với hầu hết vật
liệu dụng cụ cắt, độ bền mỏi giảm mạnh khi chất lượng bề mặt giảm. Các nguyên
nhân trên khiến chất lượng bề mặt khi gia công titan thấp và dụng cụ cắt mịn nhanh
(có hệ số mài thấp). Ngồi ra, góc trước âm lớn và hoạt động cọ xát, cào xước của
hạt mài khiến nhiệt độ và lực ma sát tăng làm chất lượng bề mặt giảm [4].
Hình 1.12 so sánh tính mài của một số vật liệu. Những giá trị này phụ thuộc vào
tiến bộ trong cơng nghệ sản xuất hạt mài, chất kết dính và loại ứng dụng sử dụng.
Hợp kim titan thường phản ứng hóa học với hạt mài cBN và ơ-xit nhơm. Trong khi
đó, đã có các kết quả khả quan khi mài hợp kim titan bằng đá mài kim cương, tuy
nhiên trong thực tế hầu hết vẫn dùng đá mài cacbit silic. Theo tiêu chuẩn dạng phoi
và chất lượng bề mặt, tính gia cơng của titan cao hơn hợp kim niken và coban nên có
thể coi nó là một lựa chọn thay thế trong một số trường hợp [8].

Hình 1.12 So sánh tính mài của một số vật liệu [8]

1.2.2.2 Đặc điểm khi mài hợp kim Titan
a) Lực mài và năng lượng mài riêng
Lực mài chủ yếu phục vụ cho quá trình cọ xát, cào xước và cắt gọt của hạt mài
trên bề mặt phôi. Lực mài được đo bằng cảm biến lực. Việc sử dụng hạt mài cùn hoặc
không đúng cách sẽ làm tăng lực mài. Lực mài tăng khi chiều sâu cắt và bước tiến
dao tăng, giảm khi tốc độ cắt tăng. Lực mài khi mài thuận và mài nghịch về cơ bản
là bằng nhau. Lực mài titan lớn do vật liệu này có độ bền cao, ứng suất hóa cứng cao
và tải trên đá mài lớn. Các nghiên cứu cho rằng lực mài là thông số quan trọng để
đánh giá chất lượng q trình mài do nó liên quan trực tiếp đến mòn đá, nhiệt độ cắt
và chất lượng bề mặt. Công suất mài P, được sử dụng để lựa chọn cơng suất máy, có
thể đo trực tiếp bằng máy đo công suất lắp vào mạch điện động cơ trục chính, hoặc
16


tính tốn thơng qua lực cắt tiếp tuyến như Hình 1.13. Một thơng số quan trọng tính
được từ cơng suất cắt và chế độ cắt là năng lượng mài riêng u, là năng lượng cần thiết
để bóc gọt một đơn vị thể tích vật liệu phơi. Nó hầu như khơng phụ thuộc vào vận tốc
cắt và bề rộng cắt, mà chỉ chịu ảnh hưởng của chiều dày phoi không biến dạng và độ
bền vật liệu gia công. Năng lượng mài riêng đặc trưng cho hiệu suất của quá trình
mài và có thể dùng để đánh giá lực mài và cơng suất mài [14].

Hình 1.13 Mơ hình lực cắt khi mài phẳng [14]

Có một số nguyên nhân khiến năng lượng mài riêng lớn hơn khi gia công bằng các
phương pháp khác. Các ngun nhân đó như sau:

Hình 1.14 Ba hoạt động của q trình mài [12]

Hiệu ứng kích thước: Sự tạo phoi diễn ra do quá trình cắt gọt rất mạnh của hạt mài

trên một vùng phôi rất mỏng, tiếp theo là ma sát khi phoi trượt qua mặt trước của hạt
mài. Thơng thường, cắt gọt chiếm khoảng 75% tồn bộ năng lượng tạo phoi, ma sát
giữa hạt mài và phoi chiếm 25% năng lượng còn lại. Ở các điều kiện mài tinh, tức là
các điều kiện mài tạo ra độ dày phoi không biến dạng nhỏ hơn, ứng suất cắt thường
có giá trị cao, tương ứng với sử dụng nhiều năng lượng riêng hơn cho kiểu mài này.
Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng kích thước [13].

17


Hoạt động của hạt mài khi mài: Tổng năng lượng mài riêng bao gồm các thành
phần là năng lượng tạo phoi, năng lượng cày xước và năng lượng trượt như Hình
1.14. Chỉ có năng lượng tạo phoi là thực sự được sử dụng vào việc bóc tách phoi, cịn
hai năng lượng trượt và cày xước khiến năng năng lượng mài riêng tăng cao.
Hạt mài có góc trước âm lớn: Góc trước trung bình của hạt mài từ -30 đến -70 độ
nên làm tăng góc cắt, ứng suất cắt và ma sát với phoi khiến năng lượng mài riêng cao
hơn.
b) Cấu trúc tế vi bề mặt chi tiết mài
Một số nghiên cứu đã mô tả sự đổi hướng của các hạt tinh thể titan theo hướng tiến
dao. Người ta cũng nhìn thấy một vùng mỏng đặc biệt (có chiều dày từ 0,5 đến 5 µm)
ở ngay dưới bề mặt gia cơng nơi các hạt tinh thể có hướng gần như song song với
hướng cắt. Một số tác giả cho rằng mài thô không ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tế
vi bề mặt, trong khi mài tinh đã định hình trạng thái cơ nhiệt lớp bề mặt [3].
Mài có sử dụng chất lỏng làm mát tạo ra pha β ở lớp bề mặt nhiều hơn 5 – 8% so
với mài không có chất làm mát. Mài bằng các loại hạt mài khác nhau sẽ tạo ra lượng
pha β không giống nhau ở lớp bề mặt. Ngoài ra, mài bằng đá mài Al2O3 tạo ra ít pha
β hơn đá mài cBN hay nói cách khác, đá mài cBN có khả năng ổn định pha β. Quá
trình mài đã làm biến đổi cấu trúc tế vi của hợp kim α - β (ví dụ Ti-6Al-4V) thông
qua việc giảm lượng pha β ở lớp gần bề mặt. Khi tốc độ cắt và chiều sâu cắt tăng lên
(làm ứng suất nhiệt tăng lên) thì hàm lượng pha β giảm xuống. Một số tác giả đã sử

dụng đá mài kim cương MBG với chiều sâu mài lớn, lượng tiến dao nhỏ (Creep Feed
Grinding) để mài hợp kim Ti-6Al-4V. Ảnh hiển vi của các mẫu thí nghiệm cho thấy
không xuất hiện lớp bề mặt giàu ô-xi (lớp vỏ α) chứng tỏ nhiệt độ mài thấp hơn nhiệt
độ chuyển pha β [5].
c) Thay đổi độ cứng lớp bề mặt
Hiện tượng thay đổi độ cứng lớp bề mặt xuất hiện do tác động của nhiệt cắt, biến
dạng cơ học hoặc thay đổi hóa học trong q trình gia cơng. Mềm nhiệt là một dạng
hư hỏng do nhiệt mặc dù bề mặt phơi khơng nhất thiết phải có vết cháy hoặc bị đổi
màu. Độ cứng tế vi đo được trên mặt cắt cho thấy mềm nhiệt làm giảm độ cứng, do
đó giảm tính chống mài mịn của bề mặt. Ở một nhiệt độ xác định, mềm nhiệt tăng
lên khi tốc độ tiến dao chậm, do quá trình truyền nhiệt từ vùng cắt diễn ra lâu hơn.
Sự hóa mềm lớp bề mặt được cho là do hiện tượng cục bộ hóa nhiệt và được thể hiện
bằng một lớp tối trên bề mặt [13]. Khi mài hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài SiC người
ta thấy lớp mềm nhiệt có chiều sâu 80 µm và tăng khi chiều sâu cắt tăng [20]. Mài
Ti-6Al-4V bằng đá mài Al2O3 tạo ra một lớp bề mặt mềm nơng, sâu 40 m [21].
Hóa cứng xảy ra ở nhiệt độ cao hơn và gây tác động nghiêm trọng hơn mềm nhiệt.
Có thể quan sát thấy một lớp trắng cứng và giịn trên bề mặt bị hóa cứng. Lớp này có
khả năng chống mài mịn trừ khi các hạt cứng bị bóc ra khỏi bề mặt do mỏi hoặc dưới
tác dụng của hạt mài [12]. Các nghiên cứu cho thấy mài hợp kim titan dưới chế độ
cắt cao sẽ tạo ra một lớp trắng quá nhiệt trên bề mặt. Khi mài Ti-6Al-4V bằng đá mài
cBN mạ đồng và liên kết thủy tinh với chiều sâu cắt lớn và bước tiến dao nhỏ (Creep
Feed Grinding), lớp hóa cứng có chiều sâu khoảng 40 m và độ cứng mẫu mài bằng
đá mài cBN mạ đồng thấp hơn đá mài cBN liên kết thủy tinh [22]. Khi mài cao tốc
18


hợp chất nền Ti-6Al-4V tăng cường hạt TiC (PTMCs) bằng đá mài cBN mạ đồng
một lớp, lớp hóa cứng có chiều sâu 80 µm và tăng khi lượng tiến dao và chiều sâu cắt
tăng [23]. Độ cứng tế vi lớp bề mặt hợp chất PTMCs (chiều dày 130 µm) khi mài
Creep Feed bằng đá mài ô-xit nhôm tăng lên đáng kể khi chiều sâu cắt tăng [24].

d) Nhiệt độ mài
Không như các q trình gia cơng thơng thường như tiện hay phay, trong đó hầu
hết nhiệt năng truyền vào phoi, nhiệt năng khi mài truyền vào phoi ít khiến nhiệt độ
bề mặt phôi tăng. Nhiều tác giả đã chứng minh rằng, nhiệt độ vùng mài cao nếu khơng
được kiểm sốt sẽ gây ra nhiều khuyết tật nhiệt cho bề mặt gia cơng như vết cháy, vết
nứt, bám dính, biến đổi tính chất lý hóa lớp bề mặt, gây ra ứng suất dư kéo và giảm
độ bền mỏi của vật liệu. Một số báo cáo còn cho rằng nhiệt cắt khiến tải trên đá và
mòn đá tăng. Hạt mài bị mòn và chịu tải lớn sẽ làm tăng lực mài và gây ra nhiều vấn
đề về nhiệt hơn [13].
Nhiệt độ bề mặt phôi lớn nhất phụ thuộc vào công suất mài (Ft.v), vận tốc cắt và
đặc tính vật liệu phơi:

max  Cmax R w

Ft .v 1
w S.lc

(1. 3)

Trong đó các tham số nhiệt học ảnh hưởng tới nhiệt độ là hệ số Cmax, đặc tính nhiệt
chuyển tiếp βw và tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi Rw. Giá trị của hệ số Cmax xấp xỉ bằng 1
đối với mài thông thường và giảm xuống khi mài sâu.
Đặc tính nhiệt chuyển tiếp βw của vật liệu phơi được tính theo cơng thức:
w  (k c)0,5 trong đó trong đó k là hệ số dẫn nhiệt (W/m.K), ρ là khối lượng riêng
(kg/m3), c là nhiệt dung riêng (J/kg.K)
Tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi Rw là phần nhiệt năng truyền vào phôi trên tổng nhiệt
năng sinh ra. Nó phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt và độ sắc của hạt mài cũng như đặc
tính nhiệt học của phôi. Nếu bỏ qua lượng nhiệt truyền vào dung dịch làm mát và
phoi thì Rw xấp xỉ bằng Rws (tỉ lệ nhiệt truyền vào hạt mài và phơi), tính theo công
thức [8]:

R ws


kg 
 1 
  r .v 
w
0



1

(1. 4)

Trong đó kg là hệ số dẫn nhiệt của hạt mài (W/m.K), r0 là bán kính đỉnh hạt mài. Có
thể thấy Rws ít phụ thuộc vào r0. Khi mài thông thường, Rws nằm trong khoảng từ 0,7
đến 0,9 đối với đá mài thủy tinh hóa và 0,4 đến 0,6 đối với đá mài cBN.
Nhiệt độ tính được từ phương trình trên chỉ là tương đối mà khơng phải là chính
xác tuyệt đối. Phương trình trên có thể được sử dụng để tính tỉ số Rw nếu đo được
nhiệt độ và lực cắt bằng thực nghiệm. Năng lượng mài khi mài bằng đá mài cBN cao
hơn đá mài Al2O3 trong khi nhiệt độ mài bằng nhau. Nguyên nhân do đá mài cBN có
tỉ số năng lượng Rw nhỏ hơn đá mài Al2O3 (vì nó có tính dẫn nhiệt tốt hơn) [5].
Xác định nhiệt độ mài bằng phương pháp mô phỏng thường khơng có độ chính
xác cao. Ngun nhân là do khó kết hợp đặc tính vật liệu phơi với chế độ cắt, đồng
19