Đặt vấn đề Ngày nay, các bề mặt phức tạp đóng vai trò quan trọng trong các chi tiết của nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp như các cánh quạt của động cơ phản lực, các thấu kính quang học, khuôn mẫu trong ngành sản xuất sản phẩm nhựa, khớp hông và khớp gối nhân tạo trong lĩnh vực cấy ghép y sinh học, bi cầu và đi đũa trong các ổ lăn. Các bề mặt của các chi tiết này đòi hỏi yêu cầu cao về chất lượng bề mặt và năng suất gia công. Trước đây, để gia công tinh các bề mặt của chi tiết phải trải qua các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay và gia công tinh lần cuối bằng phương pháp mài. Hoàn tất quá trình gia công này sẽ cần một lượng thời gian gia công tương đối lớn nên dẫn đến năng suất còn hạn chế.
Ngoài ra, chất lượng bề mặt và độ chính xác hình dáng sau gia công chỉ đạt ở một giới hạn nhất định. Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu và áp dụng các phương pháp tiên tiến để gia công các bề mặt cong, chẳng hạn như công nghệ gia công bằng tia lazer, gia công bằng cơ – hoá học, gia công bằng chất lỏng lưu từ biến, gia công bằng siêu âm. Trong đó, phương pháp gia công bằng tia có thể gia công bề mặt cong đạt chất lượng cao nhưng quá trình tương đối phức tạp. Còn phương pháp gia công bằng cơ – hoá học có thể đạt hiệu suất cao hơn, tuy nhiên chất thải hoá học sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường.
Phương pháp gia công bằng chất lỏng lưu từ biến được áp dụng gia công các bề mặt cong với độ chính xác cao do dòng lưu chất được điều khiển tối ưu bởi từ trường. Tuy nhiên, phương pháp này áp dụng còn tương đối hạn chế vì chi phí tương đối cao cho lưu chất điện từ và quá trình thiết kế, lắp đặt các điện cực. Do đó, phương pháp gia công tinh bằng chất lỏng phi Newton sẽ được nghiên cứu và áp dụng để nâng cao được chất lượng bề mặt gia công và năng suất gia công cho các chi tiết có bề mặt phức tạp. Trong phương pháp này, chất lỏng phi Newton được kết hợp với hạt mài tạo thành dung dịch gia công phi Newton.
Dung dịch gia công 10 này có các chuyển động, độ nhớt, ứng xử và tác động hoàn toàn khác với chất lỏng thông thường. Kết quả là tạo ra quá trình gia công nhờ sự chuyển động của dung dịch tiếp xúc với bề mặt của chi tiết cần gia công. Dung dịch gia công phi Newtơn này có khả năng gia công linh hoạt với các bề mặt cong khác nhau mà vẫn thỏa mãn được yêu cầu năng suất gia công và chất lượng bề mặt. Bên cạnh đó, dung dịch gia công phi Newton này có thể sử dụng lại nhiều lần nên không gây ảnh hưởng đến môi trường.
Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng phương pháp gia công mài tinh bằng chất lỏng phi Newton cho các bề mặt phức tạp như: mặt cầu lồi, mặt cầu lõm và bề mặt khuôn. Trên cơ sở đó sẽ thiết kế, chế tạo ra máy mài tinh bề mặt phức tạp bằng cách kết hợp chất lỏng phi Newton với hạt mài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chế tạo máy mài bóng bề mặt cầu ứng dụng chất lỏng phi Newton để gia công bề mặt cầu phức tạp. Phạm vi nghiên cứu: đề tài thực hiện nghiên cứu đặc tính của chất lỏng phi Newton trong gia công mài tinh bề mặt cầu, trên cơ sở đó xây dựng bản vẽ thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh máy mài bóng bề mặt cầu ứng dụng chất lỏng phi Newton.
Sau đó, kiểm tra khả năng hoạt động của máy bằng cách tiến hành thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số của quá trình gia công đến chất lượng bề mặt chi tiết trong gia công mài thô và tinh bề mặt cầu thép SKD11. Phương pháp nghiên cứu - Phương phá chuyên gia: dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước để làm cơ sở lý luận khi tiến hành tính toán, phân tích khả năng gia công của chất lỏng phi Newton và xây dựng nguyên lý và bản vẽ thiết kế kết cấu các chi tiết của máy. 11 - Phương pháp thực nghiệm: dựa trên máy mài theo nguyên lý phi Newton được chế tạo và lắp ráp hoàn thiện sẽ tiến hành gia công thử nghiệm đánh giá chất lượng của máy. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học Với kết quả nghiên cứu sẽ chế tạo ra máy mài bề mặt cầu ứng dụng chất lỏng phi Newton và đưa ra thông số công nghệ gia công mài bóng bề mặt cầu hợp lý với quy trình gia công đơn giản, có thể ứng dụng trực tiếp được vào công tác giảng dạy, và nghiên cứu.
Tạo ra hướng nghiên cứu ứng dụng trong gia công các bề mặt phức tạp khác như bề mặt cầu lõm và bề mặt khuôn đúc. - Ý nghĩa thực tiễn Tạo nền tảng cho việc xây dựng các phương pháp gia công các bề mặt phức tạp bằng cách kết hợp các chuyển động của hạt mài với dòng chất lỏng phi Newton và các dạng năng lượng khác. 12 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Trước đây, để gia công tinh các bề mặt của chi tiết phải trải qua các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay và gia công tinh lần cuối bằng phương pháp mài. Hoàn tất quá trình gia công này sẽ cần một lượng thời gian gia công tương đối lớn nên dẫn đến năng suất còn hạn chế.
Ngoài ra, chất lượng bề mặt và độ chính xác hình dáng sau gia công chỉ đạt ở một giới hạn nhất định. Ngày nay, cũng có nhiều nghiên cứu trong nước về lĩnh vực gia công mài bóng bề mặt. Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ, lực cắt đến chất lượng bề mặt gia công trong gia công mài tinh bề mặt phẳng bằng đá mài. Trong đó, ảnh hưởng của chế độ cắt đến rung động và độ nhám bề mặt của quá trình mài phẳng bằng đá mài đã được thực hiện bởi Phùng Xuân Sơn [1], còn nghiên cứu của Nguyễn Tiến Đông thì liên quan đến ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết thép C45 khi mài bằng đá mài xẻ rãnh [2].
Bên cạnh đó, so sánh khả năng cắt gọt theo chỉ tiêu lực cắt của đá mài CBN với đá mài AL2O3 khi mài tinh thép cũng được nghiên cứu bởi Ngộ Cường [3].2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Ngày nay, các bề mặt phức tạp đóng vai trò quan trọng trong các chi tiết của nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp như các cánh quạt của động cơ phản lực [4], các thấu kính quang học [5], khuôn mẫu trong ngành sản xuất sản phẩm nhựa, khớp hông và khớp gối nhân tạo trong lĩnh vực cấy ghép y sinh học [6], bi cầu và đi đũa trong các ổ lăn [7]. Các bề mặt của các chi tiết này đòi hỏi yêu cầu cao về chất lượng bề mặt và năng suất gia công. Trước đây, để gia công tinh các bề mặt của chi tiết phải trải qua các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay và gia công tinh lần cuối bằng phương pháp 13 mài. Quá trình gia công bề mặt cầu bằng phương pháp tiện, phay được thể hiện ở hình 1.1 và gia công tinh bằng mài như hình 1.1 Quá trình gia công bề mặt cầu bằng phương pháp tiện, phay Hình 1.2 Quá trình gia công tinh bề mặt cầu bằng phương pháp mài Quá trình gia công bằng các phương pháp truyền thống này đòi hỏi lượng thời gian gia công tương đối lớn, quá trình gia công khá phức tạp.
Do đó, năng suất gia công thấp và chi phí gia công sẽ tăng lên. Để nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công thì đã có rất nhiều công nghệ gia công đã được nghiên cứu và áp dụng để gia công các bề mặt phức tạp này. Các phương pháp này dựa vào sự kết hợp chuyển động của chi tiết với đĩa mài, 14 hoặc điều khiển quá trình cắt gọt bằng xung điện từ, bằng tia lazer hoặc sóng siêu âm để tạo nên quá trình gia công. Các phương pháp gia công này như sau: 1.1 Mài nghiền bằng đĩa mài Thông thường, bề mặt cầu của chi tiết được gia công trên máy mài nghiền với một đĩa mài hoặc 2 đĩa mài kết hợp cùng lúc.
Trong quá trình gia công, dung dịch hạt mài sẽ được đưa vào vùng tiếp xúc giữa chi tiết và đĩa mài để thực hiện quá trình cắt gọt. Mài nghiền có ưu điểm lớn đó là khả năng gia công các vật liệu cứng và dễ vỡ như thủy tinh, mà không cần dùng phương pháp tiện hay phay sử dụng mũi dao kim cương. Chất lượng bề mặt sau khi gia công có thể bằng hoặc thậm chí tốt hơn so với một bề mặt được mài bóng bằng các phương pháp truyền thống khác [8-10]. Tuy nhiên, trong quá trình mài nghiền, lượng vật liệu được cắt gọt tương đối nhỏ nên hiệu suất không cao.
Trong quá trình mài chính xác các đĩa mài có các hạt mài liên kết với nhau giữ cho hạt mài không bị tách ra nhưng hạt mài sẽ bị mòn một phần trong quá trình gia công làm thay đổi tiết diện bề mặt mài. Việc thay đĩa mài mới đòi hỏi phải tính toán tương đối phức tạp. Tải trọng Dung dịch mài Đầu giữ Chi tiết Đĩa mài Hình 1.3 Quá trình gia công tinh bề mặt cầu bằng mài nghiền 15 1.2 Đánh bóng bằng chất lỏng từ biến (MRF) Đánh bóng bằng chất lỏng từ biến (MRF) là phương pháp gia công bề mặt cầu có độ chính xác cao bằng cách kiểm soát khoảng cách tiếp xúc giữa đĩa mài, dung dịch mài và chi tiết bằng điện từ [11, 12].4a là sơ đồ minh họa của một hệ thống MRF và hình 1.4 b mô tả là thực tế quá trình cắt bỏ vật liệu tại vùng gia công.4 Quá trình gia công bằng MRF Chất lỏng từ lưu biến sẽ kết hợp với các hạt mài như cerium oxide (CeO2) và kim cương tham gia vào quá trình gia công. Một nam châm điện đặt dưới đĩa mài được sử dụng để tạo ra từ trường điều khiển dòng chất lỏng lưu từ biến.
Khi chất lỏng từ lưu biến đi qua vùng từ trường, nó liên kết lại và hoạt động như một dụng cụ đánh bóng. Một vùng gia công đánh bóng được hình thành nhờ dòng từ lưu chất từ biến chèn vào giữa chi tiết và đĩa mài.