Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám khi mài phẳng thép NAK80

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt thép NAK80 khi mài phẳng, cung cấp bộ thông số công nghệ tối ưu cho quá trình gia công.

• Tác giả: Ngô Thị Hoài
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu NAK80 khi gia công trên máy mài phẳng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám bề mặt vật liệu NAK80

NAK80 là thép hợp kim dụng cụ có độ cứng cao (40-45 HRC) và khả năng chống mài mòn vượt trội, thường dùng trong chế tạo khuôn mẫu chính xác. Độ nhám bề mặt sau gia công ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ sản phẩm và chất lượng bề mặt. Máy mài phẳng sử dụng đá mài quay tròn kết hợp chuyển động tịnh tiến của chi tiết để loại bỏ vật liệu. Chế độ cắt bao gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao dọc, ngang và chiều sâu cắt quyết định hiệu suất gia công. Nghiên cứu này phân tích tác động của các thông số này đến độ nhám Ra và Rz nhằm tối ưu quy trình mài. Độ nhám càng thấp càng cải thiện độ bóng bề mặt, giảm ma sát và tăng độ bền mỏi cho chi tiết.

1.1. Đặc tính vật liệu NAK80 và yêu cầu gia công

NAK80 thuộc nhóm thép SKD11 cải tiến, chứa 0.4% C, 1.0% Si, 5.0% Cr, 1.5% Mo và 0.1% V. Độ cứng 40-45 HRC cho phép gia công tinh nhưng gây khó khăn trong mài do khả năng chịu nhiệt thấp. Yêu cầu độ nhám bề mặt thường dưới Ra 0.4 µm đối với khuôn mẫu chính xác. Độ dẫn nhiệt kém (25 W/mK) dẫn đến tích tụ nhiệt cục bộ, gây biến dạng nhiệt và nứt tế vi. Do đó, cần kiểm soát chặt chẽ chế độ cắt và sử dụng dung dịch tưới nguội phù hợp để đảm bảo chất lượng bề mặt.

1.2. Nguyên lý gia công mài phẳng và các yếu tố ảnh hưởng

Mài phẳng sử dụng đá mài quay với vận tốc 20-40 m/s (tối đa 200 m/s trên máy cao tốc) kết hợp chuyển động tịnh tiến của chi tiết (3-45 m/ph). Chiều sâu cắt (0.001-0.006 mm) và lượng chạy dao dọc (26-32 ht/ph) quyết định tốc độ loại bỏ vật liệu. Dung dịch tưới nguội cấp liên tục làm nguội, đẩy phoi và giảm ứng suất dư. Độ nhám phụ thuộc vào tương tác giữa vận tốc đá, chiều sâu cắt và lượng chạy dao. Sai lệch hình học đá mài cũng gây rung động, ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt.

II. Phân tích tác động của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt

Chế độ cắt ảnh hưởng đa chiều đến độ nhám bề mặt NAK80 thông qua cơ chế phá hủy vật liệu. Vận tốc cắt cao giảm thời gian tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết, hạn chế tích tụ nhiệt nhưng tăng nguy cơ rung động. Chiều sâu cắt nhỏ (0.001-0.003 mm) cải thiện độ nhám do giảm biến dạng dẻo, nhưng quá nhỏ gây mài mòn nhanh đá. Lượng chạy dao dọc 26-32 ht/ph cân bằng giữa hiệu suất và chất lượng. Phương pháp Taguchi được áp dụng để tối ưu hóa thí nghiệm với 4 mức cho mỗi thông số. Kết quả đo độ nhám Ra và Rz cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa chế độ cắt và độ nhám, đòi hỏi phân tích thống kê chặt chẽ.

2.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám

Vận tốc cắt (20-40 m/s) càng cao, độ nhám Ra giảm do giảm kích thước hạt phoi. Tuy nhiên, trên 35 m/s, rung động tăng gây biến dạng bề mặt. Thép NAK80 có độ cứng cao nên yêu cầu vận tốc ổn định. Dung dịch tưới nguội phải đủ lưu lượng để triệt tiêu nhiệt cục bộ. Thí nghiệm cho thấy vận tốc 30 m/s tối ưu cho Ra < 0.3 µm, trong khi 25 m/s dẫn đến tích tụ nhiệt và nứt tế vi. Sự lựa chọn vận tốc phụ thuộc vào tình trạng đá mài và độ cứng chi tiết.

2.2. Tác động của chiều sâu cắt và lượng chạy dao

Chiều sâu cắt 0.001-0.006 mm ảnh hưởng tuyến tính đến Ra: càng nhỏ càng cải thiện độ nhám. Tuy nhiên, chiều sâu dưới 0.002 mm làm tăng thời gian gia công và mài mòn đá. Lượng chạy dao dọc 26-32 ht/ph tối ưu hóa quá trình loại bỏ vật liệu. Chạy dao ngang 5-8 m/ph giảm xung lực cắt, nhưng quá lớn gây rung động. Kết hợp chiều sâu 0.003 mm và chạy dao 28 ht/ph cho Ra trung bình 0.25 µm. Phân tích ANOVA xác định chiều sâu cắt là yếu tố quan trọng nhất (p-value < 0.05).

III. Phương pháp nghiên cứu và quy trình thí nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp Taguchi L16 (4 yếu tố, 4 mức) để tối ưu hóa thí nghiệm. Thiết bị gồm máy mài phẳng CNC, đá mài corundum (kích thước 200x20x32 mm), dung dịch tưới nguội (5% dầu khoáng). Mẫu thí nghiệm NAK80 (40x40x10 mm) được mài với 4 mức vận tốc (20, 25, 30, 35 m/s), chiều sâu cắt (0.001, 0.002, 0.003, 0.004 mm), lượng chạy dao dọc (26, 28, 30, 32 ht/ph) và chạy dao ngang (5, 6, 7, 8 m/ph). Độ nhám đo bằng máy Mitutoyo SJ-210 (Ra, Rz) sau 3 lần lặp. Dữ liệu phân tích bằng phần mềm Minitab 19 để xác định yếu tố ảnh hưởng và tối ưu hóa.

3.1. Thiết kế ma trận thí nghiệm Taguchi

Ma trận L16 được lựa chọn do tối ưu hóa số thí nghiệm (16 tổ hợp) cho 4 yếu tố. Mỗi thí nghiệm lặp 3 lần để giảm sai số ngẫu nhiên. Các thông số được mã hóa (mức -1, 0, +1) để dễ dàng phân tích. Chiều sâu cắt 0.001 mm tương ứng mức -1, 0.004 mm là mức +1. Vận tốc cắt 20 m/s là mức thấp nhất do giới hạn máy. Ma trận đảm bảo cân bằng giữa các yếu tố, giúp xác định tương tác giữa chúng thông qua phân tích phương sai.

3.2. Quy trình đo độ nhám và xử lý dữ liệu

Độ nhám đo theo tiêu chuẩn ISO 4287 tại 5 vị trí trên mỗi mẫu. Máy Mitutoyo SJ-210 có độ phân giải 0.001 µm, sử dụng đầu đo kim cương. Dữ liệu trung bình (Ra, Rz) được ghi nhận sau 3 lần đo. Phần mềm Minitab 19 phân tích phương sai (ANOVA) để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Hệ số S/N (Signal-to-Noise) được tính toán để tối ưu hóa. Kết quả thí nghiệm được so sánh với mô hình hồi quy tuyến tính để xác nhận độ chính xác.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu chứng minh chế độ cắt ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt NAK80 khi mài phẳng. Vận tốc cắt 30 m/s, chiều sâu cắt 0.003 mm, lượng chạy dao dọc 28 ht/ph và chạy dao ngang 6 m/ph cho độ nhám Ra thấp nhất (0.25 µm). Phương pháp Taguchi hiệu quả trong tối ưu hóa thí nghiệm với 16 tổ hợp. Kết quả có thể ứng dụng trong sản xuất khuôn mẫu chính xác, giảm thời gian gia công tinh và chi phí mài mòn đá. Cần nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của dung dịch tưới nguội và tình trạng đá mài đến độ nhám.

4.1. Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt

Phân tích phương sai xác định chiều sâu cắt là yếu tố quan trọng nhất (45% ảnh hưởng), tiếp theo là vận tốc cắt (30%) và lượng chạy dao dọc (15%). Chạy dao ngang ít ảnh hưởng (10%). Kết hợp chế độ tối ưu cho Ra = 0.25 µm, Rz = 1.2 µm. Độ tin cậy thí nghiệm đạt 95% với sai số ±0.02 µm. Kết quả phù hợp với nghiên cứu trước về mài thép cứng, xác nhận tính đúng đắn của phương pháp.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong công nghiệp

Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trực tiếp vào sản xuất khuôn mẫu bằng NAK80, giảm thời gian mài tinh từ 30% đến 50%. Hướng phát triển bao gồm nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch tưới nguội sinh học và đá mài composite đến độ nhám. Ngoài ra, tích hợp cảm biến rung động vào máy mài để kiểm soát chế độ cắt theo thời gian thực. Các nhà sản xuất khuôn mẫu có thể sử dụng kết quả này để lập quy trình mài chuẩn hóa, nâng cao chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ngày nay với sự phát triển về công nghệ thông tin và tự động hóa đã mang đến những hướng nghiên cứu mới. Tác giả Dasthagiri và Goud [1] nghiên cứu tối ưu hóa các thông số mài bề mặt bằng phương pháp đáp ứng bề mặt RSM.

Hasan và các công sự [2] đã đề cập đến việc áp dụng k ỹ thuật tối ưu hóa Taguchi để giảm vấn đề cong vênh liên quan đến biến thể co ngót. Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam thì việc ứng dụng các phương pháp mới như trí tuệ nhân tạo vào công nghệ mài còn hạn chế. Trong những năm gần đây, có một số công trình nghiên cứu về mài: Năm 2014 tác giả Đỗ Đức Trung và đồng tác giả [3] nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt gia công thép 20X thấm cacbon khi mài vô tâm chạy dao hướng kính. Đã nghiên cứu thực nghiệm hai thông số đặc trưng của chất lượng bề mặt gia công được khảo sát gồm độ nhám bề mặt Ra và độ không tròn.

Từ đó đưa ra được mức độ ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám và độ không tròn. Đồng thời nghiên cứu này cũng chỉ ra khoảng chạy dao hợp lý khi gia công tinh mác thép 20X thấm các bon bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính. Năm 2018 nhóm tác giả Trần Quốc Hùng [4] nghiên cứu về tối ưu hóa chế độ cắt khi mài tròn ngoài thép hợp kim SKD61 theo chỉ tiêu nhám bề mặt, trong bài báo này tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định giá trị tối ưu hóa của các thông số của chế độ cắt Vct, t, Sd nhằm đảm bảo nhám bề mặt có giá trị nhỏ nhất. Có thể thấy trong các nghiên cứu trên dừng lại ở việc tìm ra được hàm quan hệ toán học dựa trên một chỉ tiêu nào đó mà chưa có một công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu khi mài các loại thép hợp kim.

Việc xây dựng 4 và giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu có ý nghĩa rất lớn nhằm khắc phục những khó khăn trong việc điều khiển thích nghi quá trình mài phẳng với mục đích kiểm soát đồng thời chất lượng sản phẩm và năng suất gia công. Đặc điểm cơ bản của quá trình mài [5] Mài là phương pháp gia công kim loại bằng cắt gọt, sử dụng dụng cụ cắt là đá mài. Quá trình mài thực chất là quá trình được thực hiện bởi vô số hạt mài rất cứng và chống mòn tốt, chúng được gắn cưỡng bức với nhau bởi chất kết dính cắt đi lớp lượng dư rất nhỏ trên bề mặt vật gia công. Mỗi hạt mài (gồm nhiều lưỡi cắt có góc độ khác nhau) lấy đi lượng kim loại rất nhỏ khoảng vài micron.

Để tạo thành bề mặt gia công, mỗi quá trình mài có hàng nghìn hạt mài tham gia cắt gọt đồng thời và hàng triệu dao liên tiếp. Để thực hiện quá trình (hình 1.1) đá mài và chi tiết phải có các chuyển động cần thiết. Khi mài phẳng, đá chuyển động quay tròn theo chiều mũi tên 2, chi tiết chuyển động tịnh tiến theo chiều mũi tên 4, các hạt mài 7 được gắn cưỡng bức lên bề mặt đá bởi chất kết dính 6. Giữa chất kết dính và các hạt mài là các khe hở 5 (gọi là các khoảng trống).1: Sơ đồ mài phẳng: [5] 1)mặt đầu đá ; 2)chiều quay đá; 3)mặt trụ đá; 4)hướng dịch chuyển; 5) khoảng trống; 6) chất kết dính; 7)hạt mài Mài là phương pháp gia công tinh phổ biến ở nguyên công cuối cùng của một quá trình công nghệ gia công bằng phương pháp mài có ưu điểm là có thể cắt được chiều 5 sâu cắt rất nhỏ, với vận tốc cắt khá cao, điều chỉnh, gá đặt chi tiết đơn giản, không tốn nhiều thời gian và thay đổi chế độ cắt ngay trong quá trình gia công.

Thường chiều sâu cắt từ 0,005÷0,09 mm độ bóng và độ chính xác rất cao (từ cấp 7÷9, nhám bề mặt từ 0,2÷3,2μm). Rõ ràng là không có phương pháp gia công nào có thể so sánh được với mài về độ bóng và độ chính xác gia công. Ví dụ, khi gia công các lát silíc trong công nghệ vi điện tử, khi đó người ta dùng các đĩa mài hoặc cưa cực mỏng (chỉ dầy khoảng 20μm). Ngoài ra mài còn được sử dụng để gia công thô, bạt mấu phôi trong các phân xưởng tạo phôi, cắt đứt, làm sạch các thỏi thép trong các xưởng đúc và trong các nhà 3 máy thép với tốc độ khoảng 1600 cm /ph, … nhờ có tốc độ cắt rất cao và có thể cắt đi lớp vỏ cứng của bề mặt phôi.

Tốc độ cao cũng là một trong những đặc điểm nổi bật của mài, tốc độ mài thường từ 30÷50 m/s (từ 1800÷3000 v/p), với mài cao tốc vận tốc cắt khoảng 100 m/s hoặc cao hơn. Vận tốc này lớn hơn từ 10÷60 lần so với -4 -5 vận tốc cắt khi tiện, thời gian mài diễn ra rất nhanh (khoảng 10 ÷ 10 s). Nhờ có tốc độ cắt cao mà động năng của các hạt mài đủ lớn để không bị tách ra khỏi bề mặt đá mài trong quá trình tách phoi. Tuy nhiên tốc độ cắt cao công với các góc mài không hợp lý (các hạt mài có hình dáng bất kỳ và có góc cắt không hợp lý: góc cắt lớn và góc trước âm) nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình mài rât lớn (1000 ÷ 0 1500 c), làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể và biến đổi các tính chất cơ lý lớp vật liệu bề mặt.

Khi mài thường gây ra các khuyết tật như: Cháy mài, thoát các bon, nứt tế vi, ứng suất dư (ứng suất dư khi mài là ứng suất dư kéo). Giá thành mài cao điều đó cũng là các trở ngại làm hạn chế khả năng công nghệ của mài. Khi gia công các loại vật liệu có độ cứng cao và giòn, không thể hoặc rất khó gia công bằng các phương pháp khác. Mài có thể dùng để gia công thép tôi hoặc thép đã hoá cứng như dụng cụ cắt, ổ bi, … Mặc dù đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp nhưng mài vẫn có nhiều hạn chế.

Mài tinh thường đắt hơn so với các phương pháp gia công khác tính theo thể tích vật liệu bị cắt đi, do đó chỉ được dùng trong các trường hợp cần thiết. Dĩ nhiên chiều dầy gia công càng ngày càng giảm do sự phát triển của các phương pháp đúc và tạo phôi khác, mài trở nên càng kinh tế với tư cách là phương pháp gia công trực tiếp đạt 6 kích thước danh nghĩa mà không cần qua các phương pháp gia công khác như tiện, phay. Tóm lại, mài là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố lại có sự tác động tương hỗ lẫn nhau, điều đó được mô tả trong (hình 1. Trong các đại lượng của quá trình mài rất phức tạp, các yếu tố có thể ảnh hưởng tác động lẫn nhau hoặc tác động song song.

Trong tất cả các phương pháp gia công phổ biến, mài là phương pháp còn nhiều vấn đề phải nghiên cứu. Do khi mài vô số các vị trí cùng được gia công, hình dạng hình học không giống nhau tốc độ cắt cao và chiều sâu cắt nhỏ, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt phức tạp, khó xác định và không ổn định theo thời gian, trong khi đó quy luật thay đổi và tác động qua lại của chúng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện gia công và tình trạng cụ thể của máy. Khái quát về phương pháp mài phẳng [5] Mài phẳng được thực hiện theo hai phương pháp: 1) Bằng mặt đầu đá , sơ đồ nguyên lý cho trên (hình 1. Trong trường hợp thứ 2: vận tốc đá mài thường từ 20 ÷ 40 m/s trên các máy mài thông thường và có thể lên tới 200m/s trên các máy mài cao tốc.

Chi tiết gia công được gá trên bàn gá hoặc bàn từ và chuyển động tịnh tiến khứ hồi trong quá trình mài để gia công hết chiều dài chi tiết gia công. Vận tốc chuyển động của chi tiết khoảng từ 3 ÷ 45 m/ph. Trong quá trình gia công, vận tốc dịch chuyển ụ đá có thể thay đổi vô cấp từ 2 ÷ 40 mm/HTK tuỳ theo loại máy, cần sử dụng dung dịch tưới nguội cấp liên tục vào vùng cắt để làm nguội chi tiết, đẩy phoi và các phế thải ra ngoài, tạo điều kiện cho quá trình mài được dễ dàng, giảm ứng suất dư kéo, biến dạng nhiệt, các vết nứt tế vi cũng như các vết xước do các phế thải chà sát vào bề mặt gia công. 7 Phương pháp ăn dao nhiều lần (áp dụng với các chi tiết mài có chiều sâu cắt nhỏ): chiều sâu cắt cho mỗi lần chạy dao nhỏ nhưng lượng chạy dao ngang lớn, nó cho phép giảm tối đa các ảnh hưởng của nhiệt cắt, do đó thường sử dụng cho gia công tinh cũng như các chi tiết mỏng.

Sơ đồ nguyên lý mài phẳng bằng đá mài hình trụ có thể tiến hành theo hai cách: Hình 1. Mài phẳng bằng mặt đầu đá[5] 4. Kết luận Chương 1 Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng. Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm thích ứng được tính khoa học và thực tiễn của đề tài.

Từ các kết quả thực nghiệm đưa ra kết luận, đánh giá cho điều kiện mài cụ thể, từ đó có thể áp dụng vào thực tiễn. Thành công bước đầu của đề tài sẽ được áp dụng rất có hiệu quả để định hình chọn chế độ cắt khi mài. Nó giúp nhà công nghệ chọn chế độ cắt tối ưu, giảm sai số và tăng độ bóng bề mặt chi tiết gia công. Dần làm sáng tỏ quá trình mài và tiến tới tối ưu hóa quá trình mài.

8 Mài là một yếu tố phức tạp và chưa được nghiên cứu đầy đủ. Độ nhám bề mặt cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố trong quá trình gia công như:  Chế độ cắt.  Vật liệu gia công và tính chất cơ lý của nó.  Hình dạng hình học của đá mài.

 Dung dịch tưới nguội.  Sửa đá và chế độ sửa đá.  Nhám và sóng ban đầu trên bề mặt của chi tiết mài, … Để có một kết quả chính xác cao phải tiến hành thí nghiệm ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố và mất nhiều thời gian, cần rất nhiều trang thiết bị.