CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG 1. Đặc điểm và các sơ đồ mài phẳng Gia công bằng phương pháp mài được chia thành nhiều dạng khác nhau như mài tròn (trong hoặc ngoài, có tâm hoặc vô tâm), mài phẳng. So với các phương pháp gia công cắt gọt khác, mài nói chung và mài phẳng nói riêng có một số đặc điểm sau [14]: - Đá mài được tạo thành gồm các hạt mài được sắp xếp lộn xộn, ngẫu nhiên và được liên kết với nhau bằng chất dính kết.
Các hạt mài nằm tách biệt nhau trên bề mặt đá, chúng tham gia cắt không liên tục và cắt ra mỗi phoi riêng. Do đó có thể xem quá trình mài như là một quá trình cào xước liên tục lên bề mặt của phôi. - Đá mài có thể được coi là dụng cụ cắt nhiều lưỡi, các lưỡi cắt có thông số hình học không giống nhau. Trong quá trình mài, số lượng hạt mài có góc trước âm lớn tham gia cắt là chủ yếu, điều này không thuận tiện cho quá trình cắt gọt, dó đó lực hướng kính khi mài rất lớn.
- Tốc độ cắt khi mài rất lớn, thông thường khoảng 2040m/s, đặc biệt có thể lên đến 120m/s hoặc cao hơn. Thêm vào đó, góc cắt của các hạt mài lớn nên nhiệt độ cắt khi mài rất cao, có thể đạt tới 10001500C. Phoi tạo ra khi mài rất nhỏ và nóng đỏ. - Lực cắt khi mài tuy nhỏ nhưng diện tích tiếp xúc của đỉnh các hạt mài với bề mặt gia công rất nhỏ nên lực cắt đơn vị rất lớn.
Năng lượng riêng khi mài khoảng 50J/mm3, trong khi đó năng lượng riêng của các phương pháp cắt gọt khác khoảng 2÷5J/mm3. - Trong quá trình mài, đá mài có khả năng tự mài sắc. Nghĩa là các hạt cùn bị bật ra khỏi chất dính kết và các hạt có đỉnh sắc ở lân cận tham gia cắt, hoặc hạt mài cùn bị vỡ tạo thành các lưỡi cắt sắc mới tham gia cắt. - Bề mặt gia công thường có một lớp cứng nguội phân bố đều, chiều dày khoảng 2m, độ cứng HV = 1100.
Lớp bề mặt này tồn tại ứng suất dư lớn và những vết nứt tế vi. Do vậy, sau khi mài thông thường có thể tiến hành mài khôn hoặc mài nghiền để khắc phục hiện tượng này. - Do không điều chỉnh được vị trí và thông số hình học của hạt mài nên việc điều khiển quá trình mài rất khó khăn. Nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí gia công là mục tiêu của hầu hết các quá trình sản xuất.
Đối với các chi tiết phải sử dụng nguyên công mài thì chất lượng và chi phí của nguyên công này có ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng và chi phí sản xuất. Trong thực tế, các chi tiết máy có hình dạng, kích thước, profile bề mặt rất đa dạng như mặt trụ, mặt cầu hoặc mặt phẳng vv. Hầu hết các chi tiết đều có mặt phẳng và yêu cầu nhám bề mặt thấp, dung sai nhỏ, độ cứng bề mặt cao. Nếu không sử dụng phương pháp mài thì hoặc không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật; hoặc hiệu quả gia công rất thấp, chi phí gia công cao.
Do vậy, mài phẳng chiếm vị trí rất quan trọng khi gia công chính xác các chi tiết này. luan an 6 Mô hình mài phẳng bao gồm hai dạng: (1) Dùng chu vi của đá để mài gọi là mài lăn (Hình 1.1a, b, c); (2) Dùng mặt đầu của đá để mài, gọi là mài mặt hoặc mài xoa (Hình 1. Phương pháp mài lăn có diện tích tiếp xúc giữa chu vi đá với bề mặt gia công nhỏ hơn nên năng suất cắt thấp hơn so với mài xoa. Nhưng dễ bôi trơn làm mát và cho chất lượng bề mặt gia công cao.
Phương pháp này thường dùng để mài những chi tiết có bề rộng lớn và yêu cầu chính xác cao. Phương pháp mài xoa có diện tích tiếp xúc giữa mặt đầu của đá với bề mặt gia công lớn nên cho năng suất cắt cao. Chất lượng bề mặt gia công thấp vì điều kiện bôi trơn làm mát khó khăn. Nhiệt mài phát sinh lớn, dễ gây ra biến dạng nhiệt trong quá trính mài.
Nhược điểm này được khắc phục bằng cách gá nghiêng trục đá một góc khoảng 1o2o để giảm diện tích tiếp xúc giữa đá với bề mặt gia công, đồng thời đưa dung dịch trơn nguội tới vùng cắt dễ hơn. Phương pháp này thường dùng để mài những chi tiết có độ chính xác thấp và bề rộng mài nhỏ. c) Mài bằng chu vi đá với a) Mài dọc bằng chu vi đá b) Mài rãnh bằng chu vi đá bàn quay d) Mài chạy dao hướng e) Mài chạy dao dọc bằng f) Mài xoa tâm bằng mặt đầu đá mặt đầu đá Hình 1. Sơ đồ mài phẳng [48] Thông thường, quá trình mài phẳng bằng chu vi đá trên máy mài có bàn máy hình chữ nhật gồm có các chuyển động (Hình 1.
luan an 7 Hình 1. Các chuyển động khi mài phẳng bằng chu vi đá trên máy mài có bàn máy hình chữ nhật [4] 1. Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu Hình 1.3 mô tả ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến quá trình mài và đến chất lượng của chi tiết gia công. Theo đó, các thông số đầu vào tạo ra một hệ gồm máy mài và đồ gá mài (loại máy, đặc tính của máy), chi tiết gia công (hình dạng và vật liệu chi tiết), đá mài (hình dạng và tính chất của đá), dụng cụ sửa đá (loại và tính chất), dung dịch trơn nguội (loại và chế độ trơn nguội).
Hệ các thông số nêu trên tạo nên các biến đầu vào ảnh hưởng đến quá trình mài. Các biến này gồm có các thông số của chế độ mài (chiều sâu cắt khi mài, lượng chạy dao, tốc độ cắt), các thông số công nghệ sửa đá (chiều sâu sửa đá, lượng chạy dao, số lần sửa) và chế độ trơn nguội (loại dung dịch, nồng độ, áp suất và lưu lượng). th«ng sè ®Çu vµo c¸c hiÖn tîng vËt lý x¶y th«ng sè ®Çu ra ra trong qu¸ tr×nh c¾t 1. §¸ mµi: lùc c¾t - VËt liÖu h¹t; - ChÊt kÕt dÝnh; - §é cøng; - CÊu tróc ®¸; - §é h¹t; nhiÖt c¾t 1.
§èi tîng gia c«ng 2. ChÊt lîng: - VËt liÖu; - §é nh¸m; - H×nh d¸ng, kÝch thíc - §é sãng; 4. ChÕ ®é tr¬n nguéi - C¬ lý tÝnh. Gi¸ thµnh - Lu lîng; mßn 4.
Tuæi thä ®¸ - ¸p suÊt. ChÕ ®é c¾t: - VËn tèc c¾t - Lîng ch¹y dao; - ChiÒu s©u c¾t. ChÕ ®é söa ®¸: - Dông cô söa; - ChÕ ®é söa. Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến các tham số của quá trình mài và đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của sản phẩm gia công [4, 7, 36] luan an 8 Quá trình mài được đặc trưng bởi cơ chế cắt (về cơ và nhiệt) và cơ chế mòn (về cơ, nhiệt và hóa học).
Các cơ chế này đều bị ảnh hưởng bởi rung động và nhiệt cắt khi mài. Kết quả của quá trình mài gồm hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật. Về kỹ thuật, quá trình mài tạo nên chi tiết gia công có độ chính xác về hình dạng, kích thước và có chất lượng bề mặt tốt, tuy nhiên cũng tạo nên một lớp mỏng trên bề mặt có thể bị phá hủy. Thêm vào đó, quá trình mài cũng làm mòn đá mài và làm cho bề mặt đá bị bám dính bởi các phoi kim loại.
Về hiệu quả kinh tế, quá trình mài được đánh giá bởi năng suất và chi phí mài. Do vậy, tổng quan các nghiên cứu về mài phẳng tập trung vào các vấn đề: Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt; Ảnh hưởng của chế độ sửa đá; Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát; Xác định chi phí của quá trình mài. Từ các phân tích trên cho thấy, muốn nâng cao hiệu quả của quá trình mài (tăng năng suất, giảm chi phí mài) thì cần thiết phải lựa chọn tối ưu các biến đầu vào để được các thông số quá trình mài hợp lý hoặc tối ưu. Từ đó đạt được hiệu quả quá trình mài tốt nhất hay hợp lý nhất.
Muốn vậy cần thực hiện các giải pháp sau: - Xác định các thông số chế độ cắt khi mài hợp lý hoặc tối ưu bao gồm: Chiều sâu cắt khi mài, lượng chạy dao, tốc độ cắt; - Xác định đường kính đá tối ưu khi thay; - Xác định chế độ công nghệ sửa đá mài hợp lý hoặc tối ưu; - Xác định chế độ trơn nguội khi mài hợp lý hoặc tối ưu. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt Các thông số chế độ cắt khi mài gồm chiều sâu cắt, lượng chạy dao, tốc độ cắt. Những thông số này ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng mài cũng như topography, độ mòn và tuổi bền của đá mài. Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số nói trên đến quá trình mài và việc lựa chọn hợp lý hoặc tính toán tối ưu các thông số này.
Suzdal’tsev và các cộng sự [35] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ mài đến chất lượng các chi tiết làm từ Pyroceramic khi mài phẳng bằng đá mài kim cương. Quan hệ giữa lực cắt và loại chất dính kết của đá kim cương [35] Nghiên cứu cho thấy, lực cắt nhỏ nhất và ít thay đổi ứng với các chất dính là M04, M17-01, M1-10, M2-01 (Hình 1. Cỡ hạt mài tăng thì lực cắt giảm nhưng nhám bề luan an 9 mặt tăng (Hình 1.5a), mật độ kim cương của đá mài (4,39 cara/mm3 vành đá mài kim cương tương đương mật độ 100%) (Hình 1.5b) và vận tốc đá mài (Hình 1.5c) tăng thì lực cắt giảm, nhám bề mặt giảm sau đó tăng. Vận tốc bàn tăng (tỉ số giữa vận tốc cắt và vận tốc bàn giảm) thì nhám bề mặt và lượng mòn đá tăng còn lực cắt Fy giảm (Hình 1.
Chiều sâu cắt tăng thì lực cắt tăng (Hình 1. Quan hệ giữa lực cắt và nhám bề mặt gia công [35] với: (a) độ hạt của đá, (b) mật độ kim cương và (c) với vận tốc cắt của đá. Ảnh hưởng của vận tốc bàn Hình 1.