Luận văn: Nghiên cứu công nghệ chế tạo đá mài CBN liên kết kim loại bằng mạ điện

Luận văn nghiên cứu công nghệ chế tạo đá mài CBN liên kết kim loại bằng mạ điện. Quy trình chế thử và đánh giá đặc điểm đá mài trong điều kiện Việt Nam.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Bảy
• Người hướng dẫn: TS. Trương Hoành Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Công Nghệ Chế Tạo Đá Mài CBN Liên Kết Kim Loại Bằng Mạ Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của đá mài CBN liên kết kim loại mạ điện

Đá mài CBN (Cubic Boron Nitride) liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực gia công cơ khí hiện đại. Đây là một loại vật liệu mài có độ cứng cao, được sử dụng rộng rãi để gia công các chi tiết máy với độ chính xác cao. Trong bối cảnh ngành cơ khí chế tạo máy ở Việt Nam ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng đá mài CBN chất lượng cao trở nên vô cùng cấp thiết. Công nghệ chế tạo đá mài CBN không chỉ giúp nâng cao độ chính xác kích thước gia công mà còn giảm nhám bề mặt và sửa được các sai số từ công đoạn trước. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ mạ điện để tạo lớp liên kết kim loại trên đá mài là bước đột phá quan trọng, cho phép chế tạo các loại đá mài với hình dạng định hình phục vụ các nhu cầu gia công đặc thù của ngành công nghiệp hiện đại.

1.1. Định nghĩa đá mài CBN và đặc điểm cơ bản

Đá mài CBN là sản phẩm được chế tạo từ các hạt bonitrit lập phương có độ cứng vượt trội. Liên kết kim loại mạ điện giúp gắn kết các hạt mài lại với nhau một cách chắc chắn. Phương pháp này tạo ra một lớp liên kết đồng đều, cho phép gia công các vật liệu khó cắt với độ chính xác cao và hiệu suất gia công tối ưu.

1.2. Ứng dụng trong gia công cơ khí chính xác

Đá mài CBN được sử dụng hiệu quả khi mài định hình các chi tiết làm từ thép carbon sau nhiệt luyện. Công nghệ này đặc biệt phù hợp cho gia công các rãnh nhỏ dưới 1mm, cắt đứt và các bề mặt định hình phức tạp. Ưu điểm là tiết kiệm hạt mài, giảm chi phí sản xuất và không cần sửa đá sau chế tạo.

II. Quy trình chế tạo đá mài CBN bằng phương pháp mạ điện

Công nghệ chế tạo đá mài CBN bằng mạ điện là một quy trình phức tạp đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ các thông số kỹ thuật. Quá trình bắt đầu bằng việc chuẩn bị nền thép C45 dạng hình trụ với kích thước cụ thể (đường kính 210-215mm, chiều dài 10-15mm). Tiếp theo là quá trình mạ điện để hình thành lớp liên kết kim loại niken trên bề mặt, sau đó lắp ghép các hạt mài bonitrit lập phương (#140/170) có kích thước 90-106 micromet. Công nghệ mạ điện cho phép kiểm soát độ dày lớp liên kết, đảm bảo sự phân bố đều các hạt mài trên bề mặt đá. Điều này tạo ra một đá mài CBN có khả năng cắt gọt ổn định, tuổi thọ cao và chất lượng bề mặt gia công tối ưu, phù hợp với các yêu cầu của gia công cơ khí hiện đại.

2.1. Chuẩn bị nền và lựa chọn vật liệu

Nền thép C45 được chọn lựa vì khả năng chịu lực tốt và tính dẻo dai. Hạt mài bonitrit lập phương (CBN) kích thước #140/170 được sàng lọc cẩn thận để đảm bảo tính đồng nhất. Quá trình chuẩn bị bề mặt nền bằng mạ điện tạo điều kiện cho lớp liên kết kim loại niken bám dính chắc chắn.

2.2. Công nghệ mạ điện và hình thành lớp liên kết

Mạ điện kim loại sử dụng dòng điện để沉积lớp niken đồng đều trên bề mặt nền. Quá trình này được kiểm soát bởi các thông số như mật độ dòng, thời gian mạ và nồng độ dung dịch. Lớp liên kết kim loại tạo thành là cơ sở vững chắc cho việc gắn kết các hạt mài CBN, đảm bảo độ bền cao trong quá trình sử dụng.

III. Ưu điểm và đặc tính của đá mài CBN liên kết kim loại mạ điện

Đá mài CBN liên kết kim loại bằng mạ điện sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại đá mài truyền thống. Thứ nhất, khả năng cắt gọt của đá mài CBN vô cùng cao, cho phép gia công các vật liệu có độ cứng cao và các vật liệu mới mà các loại đá mài thông thường không thể xử lý. Thứ hai, hiệu suất gia công được cải thiện đáng kể, thời gian chế tạo nhanh hơn, giảm chi phí sản xuất nhờ tiết kiệm hạt mài. Thứ ba, tuổi thọ của đá mài dài hơn, giảm số lần thay thế trong quá trình sản xuất. Thứ tư, phương pháp mạ điện cho phép chế tạo đá mài với hình dạng định hình phức tạp để mài các bề mặt định hình chính xác. Ngoài ra, đá mài CBN có khả năng tạo các cạnh mài rất mỏng để gia công các rãnh nhỏ hoặc cắt đứt các loại vật liệu khó cắt, mở ra những khả năng gia công mới trong cơ khí chính xác.

3.1. Hiệu suất gia công và tuổi thọ của đá mài

Đá mài CBN mạ điện cho phép gia công nhanh hơn so với đá mài thông thường, đặc biệt khi mài định hình các chi tiết phức tạp. Tuổi thọ cao của đá mài CBN có nghĩa là giảm số lần thay thế, từ đó giảm thời gian ngừng máy và tăng năng suất toàn bộ quy trình sản xuất. Chi phí dài hạn được tối ưu hóa nhất khi sử dụng công nghệ mạ điện.

3.2. Chất lượng gia công và ứng dụng đặc biệt

Lớp liên kết kim loại từ mạ điện giúp phân bố đều lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt gia công với độ nhám thấp. Đá mài CBN có thể chế tạo với các hình dạng định hình đặc biệt, phục vụ các nhu cầu gia công chuyên biệt như mài bề mặt răng bánh răng, các bề mặt cong phức tạp hoặc cắt các rãnh nhỏ dưới 1mm.

IV. Tình trạng và triển vọng phát triển tại Việt Nam

Hiện nay, đá mài CBN chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài từ các nước có công nghiệp cơ khí phát triển như Nhật Bản, Đức, Mỹ. Các công ty chế tạo lớn tại Việt Nam như Yamaha, Honda sử dụng đá mài CBN để gia công các chi tiết cơ khí phổ biến. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo đá mài CBN tại Việt Nam vẫn còn trong giai đoạn sơ khai, chưa có nhiều công trình nghiên cứu chuyên sâu, đặc biệt là công nghệ mạ điện để tạo lớp liên kết kim loại. Việt Nam hiện chưa có đơn vị sản xuất đá mài CBN với quy mô công nghiệp, hoàn toàn phụ thuộc vào nhập khẩu với chi phí cao. Tuy nhiên, với nền tảng kinh tế đang phát triển và nhu cầu gia công cơ khí ngày càng tăng, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo đá mài CBN bằng mạ điện là rất cấp thiết. Xây dựng khả năng sản xuất đá mài CBN nội địa sẽ giúp giảm chi phí, tăng tính cạnh tranh và phát triển ngành công nghiệp cơ khí nước ta trong tương lai.

4.1. Tình trạng nhập khẩu và phụ thuộc công nghệ

Đá mài CBN nhập khẩu có giá thành cao, làm tăng chi phí sản xuất cho các nhà máy Việt Nam. Hiện chưa có công nghệ chế tạo đá mài CBN nội địa, đặc biệt là mạ điện kim loại để tạo lớp liên kết chất lượng cao. Sự phụ thuộc vào nhập khẩu hạn chế khả năng phát triển ngành công nghiệp cơ khí chính xác.

4.2. Triển vọng và nhu cầu phát triển công nghệ nội địa

Nhu cầu gia công cơ khí chính xác tại Việt Nam tăng nhanh, tạo cơ hội để phát triển công nghệ chế tạo đá mài CBN nội địa. Nếu thành công, công nghệ mạ điện cho phép sản xuất đá mài CBN với chi phí thấp hơn, chất lượng tương đương, giúp ngành cơ khí Việt Nam nâng cao năng lực cạnh tranh quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tầng quan về vấn để nghiên cứu Chương 2: Vật liệu thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả thỉ nghiệm và bản luận Quá trinh cắt khi mái (hình 1.1) được thực hiện bởi rất nhiễu lưỡi cắt của các hal mai có hình dang hình học không giống nhau và thường xuyên thay đổi rong quá trình mài được gắn trên bễ mặt của da mai. Khi mai, mét phan phối được tạo ra trong quá trmh mài sẽ được đưa ra ngoài, trong khi có thé cd một phân còn lại sẽ được chèn vào các khe hỗ giữa các hạt mãi và bị giữ lại tại đó, lám giầm chiểu cao nhồ ra của các hạt mái. Sau một thời gian mài, các hạt mái sẽ bị củn dan, kh ning ăn sâu vào vật liệu gia công giảm do đó lực cắt tăng lên, khả năng cắt của đó bị suy giản nhan "Irong chế tạo máy b ên đại, độ chỉnh xác gia công cúa các chỉ tiết may ngay một đòi hỏi phải nâng cao đế đáp ứng được yêu câu làm việc của thiết bi. Do vay, nguyên công mãi ngày cảng chiếm một tỷ trọng lớn trong gia công các chỉ tiết máy vi mai la phương pháp gia công chỉnh xác cao, đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm.

Mai được sử đụng nhiều trong gia công co khí chính xác vì có một số đặc. điểm nỗi bài như sau: đài được thực hiện bằng nhiều hành trinh, do đó có khả năng sửa sai số hình đáng và sai số vị tri của chí tiết gia công, ~ Quá trình cắt dược thực hiện bằng nhiều hạt muải có dé cứng 1 GBÙ, - Quá trình cắt được thực hiện với tốc độ cắt cao của hạt mái, phố biển từ 25 + 35 m/s trong các quá trình mài thông thường và có thể lên đến 200 mưs cho mãi cao tốc; - Do tốc độ cắt cao, thông sỏ hình học của lưỡi cắt không hợp lí nên nhiệt độ cắt khi mài cao, có thể lên đền 1000%C; - Điều khiển quá trình mài chỉ có thể thực hiện bằng thay đổi chế dé cất như chiếu sâu mải, bước tiên dao đọc, dao ngang, bởi vị thay đổi bình học của các hạt rải hậu như không thế thực hiện được: - Bề mặt mài dược hình thánh nhờ tác dộng của các yêu tổ hình học đặc trưng, cho quá trình cắt và quá trình biến dang đảo lim loại. Ngày nay, mài không chỉ được dùng trong gia công tỉnh, mà còn được dùng ngày cảng nhiển ở rắc nguyễn công gia công phá, gia công thô và cắt dit, Nhu vay van để nghiền cứu ứng đụng các vật liệu mới có tỉnh cắt got cao cia da mai đả rãi. quan trong déi với quả trình mai th6, mai tình.

TONG QUAN VE VAN DE NGHIEN CUU 1. Khai quat vé qua trinh mai, di mai CBN va da mai CBN don lop 1. Quả trình mai ‘Mai là phương pháp gia công cắt gọt đâu tiên mà cơn người tìm ra, kế từ khí người cỗ đại cọ xát vũ khí hay công cụ lao động của mình xuống các phiến đá và nhận thấy điêu đó có tác đụng làm sắc đụng cụ hay vũ khí cũa mình. Ngày nay, mài là một trong những phương pháp gia công tính thông dụng, cỏ hiệu quả kinh tổ cao và đáp ứng được các đòi hỏi của kỹ thuật gia công hiện đại.

Mài cho phép gia công được niniêu luại bề mặt nhàr mat tru ngoai, mal. bu trong, mat thert hoa, bién dang rang va nhiều bể mặt phúc tạp khác, Mi kim loại là một trong những phương pháp gia công, cất gọt, giống như gia công tiện, phay, khoan,. trên các máy cắt kim loại nói chung. Tuy nhiên, mãi có những đặc điểm riêng biết như vận tốc ất cao, chiêu sâu lớp kim loại bị hớt bỏ có thể đạt được rât bé (từ vài phân trăm đến vai phan nghìn mm) [1], [ZI.1 thể hiện nguyên lý mài theo mô hình nhiều lười cắt.

Mô hình vũng mài của quả trình mai [2] Thông thường vận tốc cắt khi mai nfm trong khodng 30 m/s dén 50 m/s. Với mai ao tỐc, vận tốo dắt khoảng 100 ru/a hoặc lớn hơn. Vận lốc này lớn hơn 10 : 60 lần so với vận tốc cắt khi tiên. Thời gian cắt của một hạt mài trong một lần cắt diễn ra nành khoảng 0,0001+ 0,0005 s.

Nhiệt cất trong vùng mài rat cao, có thể đạt tới 1000ĐC, - Xác định một vài đặc điếm quan trọng của đả mài CN chẻ thử ở quy mô phòng thí nghiệm trong điều kiện Việt Nam. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn cúa dễ tải luận văn - Qua việc tổng họp, đánh gia một số công trình nghiên cứu đã cổng bỗ có liên quan đến công nghệ chế lạo đá mài CBN đơn lớp bằng phương phap ma dién nikon. ‘Tur dé chọn phương án thí nghiệm với các thông số chú yếu khi mạ diện các hạt vật liệu CN lên bề mặt trụ thép C45. - Kết quả nghiên cứu của luận vẫn có th nu tải liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về đã mái CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện trong nước.

Kết quả nghiên cứu của đề tài - Tổng hợp một cách có hệ thống một số vấn dễ cơ sở lý thuyết về phương pháp chế tạo đá mái CBN đơn lớp liên kết kim loại bằng công nghệ điện niken. - Thử nghiệm chế tạa một loại đá mài CEN bằng công nghệ điện niken trong phòng thí nghiệm ở Việt Nam 8. Nội đung nghiên cứu và bố cục của nn văn Noi dung của luận văn, ngoải phần mở đâu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo được bình bày trong 3 chương: Chương 1: Tầng quan về vấn để nghiên cứu Chương 2: Vật liệu thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả thỉ nghiệm và bản luận 1.12 Thành phân và cầu túc của đá mài Dimg cu sit dung trong nguyén cong mai la di mai. Ba mai đồng vai trò rất quan trọng đến chất lượng.

năng suất và giá thánh mài, dặc biết là trong các nguyên. công mài định hình như mài bẻ mặt răng của bánh răng, mài các bề mặt dẫn hướng, Câu trúc của đá mài là một thể gồm 3 pha: Hạt mài làm nhiệm vụ cắt kitn loại, chất dinh kết có nhiệm vụ lên kết các bạt mài lại với nhau thánh một khỏi, lỗ khi có trong đã mài.2 thể hiện nguyên lý câu tạo của đó mài đa lớp [2], [13] Một số đặc điểm cơ bản của 3 thành phần đã mái da lớp gồm: 1) Hạt mài: Tiạt mài là thành phần chính của đà mài, mỗi hạt mài có nhiệm vụ như một lưỡi cắt nên nó phải có yêu câu như các loại vật liệu làm lưỡi cắt. Hinh đạng, hình học của các bạt mái thường không thuận lợi cho quả trình cắt, Hầu hết các hạt mái đến có góc cắt âm. Hạt mải phải có độ cứng rất cao, nó được chia ra hai loại: ~ Loại phổ thông (lại mài truyện thống) như nhôm ôxit (AlzOn), siie cacbua (8iC), ~ Loại đặc biệt (hat mai siêu cúng): gòm CBN va kun cương, 3) Chất dinh kết: Chất đính kết làm nhiệm vụ liên kết các hạt mài lại với nhau thành môi khối, giữ cho các hạt mài không bị văng ra khối đá khi cắt vào chỉ tiết gia công, và có yêu cầu sau: - Tạo ra được độ kết đính phải đủ bên để có thể chịu được tác động của lực mài, nhiệt độ và các lục l tâm mà không bị vỡ ra, - Chin được các tác dụng hoá học từ các đưng địch trơn nguội khi cắt, - Dăm bão độ rắn chắc, có khả năng giữ được các hạt mài trong quá trình gia công: - Có khả năng loại bô những hạt mài đã bi củn trong quả trình mải ra khỏi đá, Có 3 loại chất định kết cơ bán được sử dụng lá: kim loại, thuỷ tỉnh hoá và nhụa.

3) Lã khí: Các lỗ khí có mặt trong đã đóng vai tró quan trọng ảnh hưởng đến khả năng cắt gọt của dá cũng như thời gian và chất lượng của quả trình sửa đả. Hiện nay, di mai được chẻ tạo ở hai dạng là đá mài đa lớp (đá mải thông thường) và đá mài đơn lớp: 1. Đá mài CRN da lấp: Tà loại đã mài dược chế tạo thành khôi gầm riñều lớp hạt mài gắn lên một thân đá hoặc là nguyên khối và các lớp hạt mài này sẽ bị món hoặc hong ra rong quá trình mài (hình 1. Vật liêu hại mài để chế lạo đã rải này có thể là các vật liệu hạt mài thông thường như silie cácbua, nhôm ôxit,.

hoặc các vật liệu hạt mài siêu cứng như kim cương, CBN. Đối với đả đa lớp của các hạt mai thong thường đá được chẻ tạo cả khôi, còn với đá mai ché tao bing kim cương và CBN thì được chế tạo một lớp mỏng khoảng 3 mm sau đỏ đán lên lõi lâm bằng thép hoặc một kim loai hay hop kim thích hợp nảo đó, 1. Dé mai CBN don lop Đá mài đơn lớp được tạo ra bằng cách tạo một lớp hạt mài bao quanh một lõi kim loại (hình 1. Da mai đơn lớp chỉ được chế tao bằng các hạt mái siêu cửng như hat mai CBN hoặc kim cương để đảm bảo tuổi thọ của đá.

Đá mải đơn lớp sau khi chế tạo không cần phải sửa đả như các đả mai da lop ma chi can làm sạch bẻ mặt là có thể đưa vào gia công. Đối với đá mài đơn lớp, lớp phủ tương ứng với đường kinh trung bình của hạt mai, Phan nhỏ ra khỏi chất dính kết của các hạt mải quyết định khoảng không gian thoát phoi va phân tham gia quả trình cắt của hạt mải. Do vay khi chế tạo loại đả mái nảy cản xác định hợp lý phần hạt nằm trong chất dinh két đẻ vừa có thể neo giữ hạt mài trong chất dinh kết vừa đảm bảo khoảng thoát phoi hop ly. Nếu phan chôn lấp của hạt mải trong chất đỉnh kết lớn thì sẽ lảm giảm khoảng thoát phoi va phan hat mai tham gia quả trình cắt.

Ngược lại, nêu phân nhỏ ra của hạt mài quả lớn thì khoảng cắt vả thoát phoi lớn nhưng lại làm giảm khả năng neo giữ hạt mài trong chất định kết làm hạt mài để bị bong ra trong quá trình cắt 'Hạt mài/Chắt dinh kẳt Khoảng trồng, Lap Toan oe da Chdtdinhkdt Het mai Khoảng trắng. Mô hình đả mài Hinh 1. Mô hình đảmải da p Hinh 1. Anh chu mai đa lớp [13] đơn lớp [13] CB N[13] đa lớp thể là các vật liệu hạt mài thông thường như silie cácbua, nhôm ôxit,.

hoặc các vật liệu hạt mài siêu cứng như kim cương, CBN.