CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu Trong quá trình gia công, hoàn thiện một sản phẩm cơ khí thì xử lý bề mặt là một công đoạn cần được lưu ý và quan tâm. Việc chọn lựa phương pháp làm tinh bề mặt chi tiết gia công để đạt độ nhám yêu cầu là một nguyên công quan trọng. Đối với từng chi tiết có độ phức tạp của bề mặt gia công và yêu cầu kỹ thuật thì sẽ có phương pháp mài phù hợp. Yếu tố công nghệ là một trong các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt của chi tiết được hình thành trong quá trình thực hiện các nguyên công.
Tuy nhiên, các nguyên công gia công tinh bề mặt là quan trọng nhất. Các đặc tính chất lượng của lớp bề mặt được hình thành rõ nét nhất tại nguyên công giai đoạn này. Điều này nói lên sự cần thiết việc phải xác định phương pháp gia công hợp lý cùng với chế độ cắt tối ưu nhất để tiến hành gia công để đạt hiệu quả tối ưu. Công đoạn gia công tinh bề mặt chi tiết là giai đoạn quan trọng cuối cùng quyết định nên sự hoàn thiện của sản phẩm.
Và đặc biệt đối với các bề mặt gia công đòi hỏi yêu cầu chất lượng bề mặt cao nhằm đáp ứng nhu cầu trong các lĩnh vực công nghiệp như khớp gối, khớp hông trong lĩnh vực y sinh, thấu kính quang học, khuôn đúc trong ngành sản xuất sản phẩm nhựa,… thì quá trình gia công tinh bề mặt càng trở nên khắt khe và đòi hỏi các yêu cầu cao về chất lượng bề mặt sản phẩm. Mài tinh bằng chất lỏng phi Newton đang là phương pháp gia công có thể nâng cao hiệu suất và chất lượng bề mặt gia công của chi tiết biên dạng phức tạp nhằm đáp ứng các nhu cầu sản xuất hiện đại ngày nay. Ứng suất của chất lỏng phi Newton sinh ra trong quá trình gia công sẽ được ứng dụng để loại bỏ vật liệu trên bề mặt chi tiết và vì vậy chúng được ứng dụng để gia công tinh các bề mặt phức tạp. Dưới tác dụng của lực chuyển động, độ nhớt của chất lỏng phi Newton sẽ phản ứng và thay đổi tính chất hoàn toàn khác so với chất lỏng Newton.
Chất lỏng phi Newton này có thể đông đặc lại và hoạt động giống như một đĩa mài linh hoạt khi tác động lực lên chất lỏng khiến ứng suất thay đổi một cách đột ngột. Chúng sẽ trở lại trạng thái ban 5 đầu khi ta loại bỏ chuyển động. Dựa trên sự kết dính và hình thành các cụm hạt của các hạt tinh thể để tạo ra cơ học của quá trình cắt gọt. Chất lỏng phi Newton có khả năng gia công linh hoạt với các bề mặt cong phức tạp mà vẫn đáp ứng được những yêu cầu về cắt gọt và chất lượng bề mặt.
Bên cạnh đó dung dịch này còn có thể tiếp tục được tái sử dụng lại, điều này góp phần tích cực không gây ảnh hưởng đến môi trường. Trên thực tế, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng về việc sử dụng dung dịch mài phi Newton đến quá trình gia công tinh bề mặt chi tiết.2 Các nghiên cứu về lĩnh vực gia công mài trong nước: Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Đức Nam và các cộng sự đã “Nghiên cứu ứng dụng chất lỏng phi Newton trong mài tinh bề mặt cầu”. Theo kết quả nghiên cứu, tác giả đã mài các bề mặt cầu phức tạp như chi tiết cầu, bánh răng, thấu kính quang học,… bằng dung dịch mài phi Newton. Thực nghiệm cho thấy, những bề mặt phức tạp này qua quá trình mài tinh bằng chất lỏng phi Newton có thể đạt được độ nhám bề mặt từ Ra=130 nm xuống còn Ra=23 nm đối với mặt cầu bằng thép có đường kính Ø40 mm.
Ngoài ra, nhóm tác giả cũng nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt mài, nồng độ dung dịch mài và tốc độ mài đến độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công bằng chất lỏng mài phi Newton [1]. Một nghiên cứu khác của tác giả Nguyễn Văn Trúc về “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài tròn ngoài”. Bài báo này xác định giá trị lực cắt sau khi tiến hành gia công tinh bề mặt trong. Dựa trên lý thuyết về quá trình mài, mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt của phôi và lực cắt trong quá trình mài đã được thiết lập [2].
Tác giả Phùng Xuân Sơn đã thực hiện nghiên cứu về “ ảnh hưởng của rung động đến chất lượng của chi tiết khi mài phằng”. Tác giả đã nghiên cứu tổng quan về quá trình mài, rung động và ảnh hưởng của nó đến các thông số của quá trình mài. Xây dựng phương pháp và hệ thống trang thiết bị thực nghiệm, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của rung động đến chất lượng của chi tiết mài phẳng bằng đá mài [3]. 6 Tác giả Hoàng Việt đã nghiên cứu về “Ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt đến bề mặt gia công trên máy tiện”.
Dựa vào kết quả nghiên cứu, tác giả đã thiết lập được các phương trình tham số ảnh hưởng của chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao và vận tốc cắt tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công. Để bảm đảm được những yêu cầu cao về độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết, tác giả đã xác lập được bộ thông số chế độ cắt hợp lí cho quá trình gia công [4]. Nghiên cứu của nhóm tác giả Vũ Xuân Trường, Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Trọng Hùng “Nghiên cứu Động lực học ngược cơ cấu máy mài nghiền chi tiết quang CNC MB-250”. Tác giả đã xác định được moment lực đặt vào khâu dẫn dựa trên hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ cấu máy.
Kết quả nghiên cứu được dùng để xác định điều kiện cân bằng động của khớp đĩa gá và đĩa nghiền, đồng thời đề xuất phương án nhằm cải thiện độ chính xác của chi tiết gia công [5]. Quá trình thực nghiệm được thực hiện trên máy mài nghiền chi tiết quang CNC MB-250 (cơ hệ chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang) có mô hình động lực học cụm cơ cấu của các khâu như hình 1.1 Mô hình động lực học cụm cơ cấu khâu trên [5] 7 Hình 1.3 Các nghiên cứu ngoài nước - Bài báo của nhóm tác giả Patnaik Durgumahanti, Vijayender Singh, P. Venkateswara Rao về “Một mô hình mới để dự đoán và phân tích lực mài”. Trong bài báo này, một mô hình lực mài mới được phát triển bằng cách kết hợp các tác động của hệ số ma sát thay đổi và lực mài.
Các lực nghiền pháp tuyến và tiếp tuyến dự đoán được so sánh với những lực nghiền thu được bằng thực nghiệm và kết quả cho thấy sự hợp lý về mặt định lượng. Các giá trị tổng lực thu được từ các lực thành phần đã được tính toán và thiết lập trong nghiên cứu này [6]. Bài báo của nhóm tác giả Li Lichun, Fu Jizai, J,Peklenik về “Nghiên cứu mô hình toán học lực mài”. Bài báo trình bày bao quát về lực mài.
Mối quan hệ giữa lực mài và các thông số quá trình động học mài với phôi bằng các vật liệu khác nhau được xác định bằng thực nghiệm. Phân tích tỷ số giữa lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến đối với cả lực hình thành phôi và lực ma sát. Tỷ lệ này thường nằm trong khoảng 0,2-0,59. Khi các phôi với các vật liệu khác nhau được mài, các giá trị đo được của quá trình này nằm trong phạm vi này đạt được của nghiên cứu [7].
Bài báo của nhóm tác giả Rogelio L. Liang, Xiao Jian Wu, Pin Xia, David Guo Wei Jin về “Lực mài và mô hình hóa công suất dựa trên phân tích độ dày phôi”. Bài báo trình bày khả năng dự đoán lực mài và công suất đóng vai trò 8 quan trọng đối với nhiều khía cạnh của việc tối ưu hóa, giám sát và kiểm soát quá trình mài. Bài báo này trình bày mô hình dự đoán của lực mài và công suất dựa trên sự phân bố xác suất của độ dày phôi không xác định như một hàm của các giá trị động học, đặc tính vật liệu, cấu trúc tế vi của bề mặt và các hiệu ứng động lực học.
Mật độ cạnh cắt động được tính toán mô phỏng kết hợp các ảnh hưởng của các yếu tố động học và động lực học như các thành phần hạt tinh thề và độ võng cục bộ của chúng. Mô hình được sử dụng để dự đoán tổng lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến trong quá trình mài bề mặt và tổng lực mài trong quá trình gia công chi tiết hình trụ [8]. - Bài báo của nhóm tác giả Jinglong Sun, Fei Qin, Pei Chen, Tong An về “Mô hình dự đoán về lực mài trong mài tự quay của tấm silicon” [9]. Bài báo tập trung vào việc gia công mỏng tấm silicon được thực hiện bằng phương pháp mài tự quay.
Trong quá trình mài, lực mài là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất mài, độ chính xác và chất lượng bề mặt. Lực mài quá mức gây ra hư hỏng cục bộ của tấm wafer dưới dạng các vết nứt tế vi dưới lớp bề mặt, là một yếu tố quyết định đến chất lượng của tấm wafer. Một quy trình hai giai đoạn đã được tối ưu hóa để kiểm soát các vết nứt dưới bề mặt và cải thiện tốc độ loại bỏ vật liệu theo mô hình dự đoán lực mài (như hình 1.3 Sơ đồ cơ cấu mài tự quay. (a) Hình chiếu từ trên của bánh xe và wafer quay; (b) Hình cắt ngang của tấm wafer và bánh xe; (c) Các thành phần của mài Hình 1.4 Ảnh SEM của bề mặt wafer trong các điều kiện mài khác nhau (khoảng cách xuyên tâm 90 mm).5 Tối ưu hóa quá trình mài Bài báo của nhóm tác giả Jianguo Cao, Yongbo Wu, Jianyong Li, Qinjian Zhang về “Mô hình lực mài cho mài bên trong có hỗ trợ siêu âm (UAIG) vật liệu gốm sứ SiC”.
Bài báo cho thấy lực mài đóng một vai trò ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công trong quá trình mài. Bên cạnh đó, một mô hình tối ưu hóa được xây dựng dựa vào các biến đầu vào nhằm đạt được năng suất và chất lượng sản phẩm. Trong nghiên cứu này, một mô hình lý thuyết được trình bày để dự đoán lực mài trong UAIG của gốm SiC (như hình 1. Quá trình gia công được hình thành bằng cách cho chiều dài phôi không được định dạng chuyển động tương đối với đĩa mài Sau khi phân tích quá trình cắt của hạt mài đơn, các mô hình lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến cho gốm sứ UAIG của SiC được phát triển trong nghiên cứu này [10].6 Lực mài so với thời gian trong thử nghiệm UAIG và CIG Hình 1.