Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI 1. Tổng quan về quá trình mài 1. Đặc điểm của quá trình mài 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. [2] 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 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 máy thép với tốc độ khoảng 1600 cm3/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 vận tốc cắt khi tiện, thời gian mài diễn ra rất nhanh (khoảng 10-3 ÷ 10-45s). Nhờ có 6 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 ÷ 15000C), 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 kích thước danh nghĩa mà không cần qua các phương pháp gia công khác như tiện, phay. Thời gian giữa 2 lần sửa đá được gọi là tuổi bền đá mài, tuổi bền đá mài là một thông số rất quan trọng, quyết định đến năng suất, chất lượng và giá thành mài. Khi đá mài bị mòn không còn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết ta phải sửa lại đá. Sửa đá là việc hớt bỏ đi lớp hạt mài đẫ mất tính năng cắt gọt hoặc chúng không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật (đặc biệt là độ sóng bề mặt) khi gia công để lộ ra lớp hạt mài mới có tính năng cắt gọt tốt hơn, đảm bảo các yêu cầu của chi tiết.
Dụng cụ sửa đá mài có thể là bút sửa 7 kim cương, con lăn kim cương. Trong khuôn khổ luận văn này không đề cập sâu đến vấn đề sửa đá. 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. 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 tổ 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. Cơ sở quá trình cắt khi mài Mài là một phương pháp gia công cắt gọt tốc độ cao, phối hợp nhiều chuyển động tạo hình bề mặt, quá trình cắt được thực hiện bởi một số lượng lớn các hạt mài cùng tham gia cắt gọt. * Bản chất của quá trình mài: Là sự cào xước tế vi bề mặt gia công bằng những hạt mài với vận tốc cao và áp lực lớn.
Phần làm việc của đá mài gồm lưỡi cắt của vô số các hạt mài riêng biệt, có hình dáng khác nhau, phân bố một cách ngẫu nhiên trên bề mặt chất dính kết. Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của các hạt mài luôn thay đổi. * Đặc điểm quá trình mài: So với các phương pháp cắt gọt bằng các dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định thì mài có một số đặc điểm sau: - Mài là quá trình cắt tế vi và cào xước với tốc độ cắt cao của các hạt mài trên bề mặt chi tiết gia công, tạo ra nhiều phoi vụn, 8 - Tốc độ cắt khi mài rất cao, thường V = 20y35 m/s, mài cao tốc có thể lên đến 120 m/s. Tiết diện phoi mài ra rất bé.
- Các lưỡi cắt không giống nhau và được sắp xếp ngẫu nhiên trên bề mặt đá do đó các vết cắt xoá lẫn nhau cho phép tạo ra độ bóng bề mặt cao. - Hình dạng hình học của mỗi hạt mài không giống nhau, góc sắc thường lớn hơn 900 (β>900) góc trước thường âm (γ<0), do đó không thuận lợi cho quá trình cắt và thoát phoi, - Độ cứng của hạt mài cao, do đó có thể cắt được những vật liệu cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không cắt được như: Thép đã tôi, hợp kim cứng. - Do nhiều hạt mài tham gia cắt gọt cùng một lúc, do góc trước âm (γ <0) và do vận tốc cắt rất lớn nên nhiệt cắt khi mài rất lớn, nhiệt độ vùng cắt có thể lên tới 1000-15000C, gây cháy phoi, sinh tia lửa. - Quá trình cắt khi mài có tính gián đoạn, các hạt mài lần lượt vào cắt, ra cắt tạo ra các rung động.
- Các đỉnh lưỡi cắt phân bố không đều theo chiều cao, lượng dư phân bố cho các hạt mài không đều, do đó lực cắt tác động lên các hạt mài không bằng nhau. - Nếu lực cắt quá lớn sẽ có hiện tượng hạt mài bị vỡ (tạo ra các lưỡi cắt mới) hay bị tách ra khỏi bề mặt làm việc của đá và xuất hiện lưỡi cắt của các hạt mài mới tạo ra khả năng tự mài sắc của đá mài. - Độ chính xác đạt được khi mài thông thường là: + Mài thô: cấp chính xác 9; nhám bề mặt Ra =3,2 mm + Mài tinh: cấp chính xác 7; nhám bề mặt Ra = 1,6 ÷ 0,4 mm + Mài rất tinh: cấp chính xác 6; nhám bề mặt Ra = 0,2 ÷ 0,1 mm - Trong quá trình mài tồn tại 3 hiện tượng: cắt, cày và trượt, các hiện tượng này đồng thời xảy ra và phụ thuộc vào tương tác giữa hạt mài và vật liệu gia công. 9 Mài còn được gọi là dụng cụ cắt có lưỡi cắt không xác định, vì ở đó có rất nhiều hiện tượng ngẫu nhiên, không theo quy luật, ví dụ như thông số hình học của hạt mài, kích thước hạt, sự phân bố hạt trên bề mặt đá, sự vỡ ra của các hạt cũng như sự tách ra khỏi bề mặt đá của các hạt.
Chính vì thế, việc nghiên cứu và điều khiển quá trình mài là phức tạp hơn so với các quá trình gia công khác. Mài không những được sử dụng gia công tinh lần cuối mà còn được sử dụng ngày càng rộng rãi ở các nguyên công gia công thô. Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những đòi hỏi về độ chính xác và chất lượng gia công ngày một cao thì mài càng được quan tâm nghiên cứu và được sử dụng rộng rãi hơn 1. Quá trình tạo phoi khi mài Trên hình 1.1 mô tả ba giai đoạn hình thành phoi mài, giai đoạn 1 hạt mài trượt trên bề mặt phôi, giai đoạn 2 hạt mài cày xước bề mặt phôi và giai đoạn 3 là giai đoạn tạo phoi mài.
Đá mài Hạt mài Tạo phoi Cày xước Trượt Phôi mài Hình 1.1 Ba giai đoạn hình thành phoi mài [18] Để hiểu rõ bản chất của quá trình mài, cần phải phân tích quá trình tạo phoi khi mài, vì đây là cơ sở, là nguồn gốc của các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt như biến dạng, lực cắt, nhiệt cắt, rung động, tiếng ồn … Để khảo sát được vấn đề này cần phải mô hình hóa quá trình cắt bằng hạt mài. Có nhiều mô hình đã được đưa ra, dưới đây là sự quan sát tác động của một hạt mài, trong quá trình gia công 10 hạt mài sẽ tác động vào bề mặt chi tiết gia công tạo lên một đường vạch rất nhỏ, gây ra biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi đối với vật liệu chi tiết gia công (hình 1. Phoi Gờ Biến dạng Biến dạng Biến dạng đàn hồi, biếndạng đàn hồi dẻo và biến dẻo và tách phoi dạng đàn hồi Hình 1.2 Quá trình tạo phoi khi mài của một hạt mài [3] Trên hình 1.