Nghiên cứu đánh giá khả năng cắt của đá mài cbn đơn lớp liên kết kim loại bằng mạ điện khi mài mặt đầu vật liệu thép gió

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Nghiên cứu đánh giá khả năng cắt của đá mài cbn đơn lớp liên kết kim loại bằng mạ điện khi mài mặt, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Trần Ngọc Hưng
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Hoành Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu đánh giá khả năng cắt của đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại bằng mạ điện khi mài mặt đầu vật liệu thép gió
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Ý nghĩa của đề tài
• 0.3. Đối tượng, mục đích, phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐÁ MÀI cBN VÀ MÀI
• 1.1. Tổng quan về đá mài cBN
• 1.1.1. Thành phần và cấu trúc của đá mài
• 1.1.2. Đặc điểm của hạt mài cBN
• 1.1.3. Các loại hạt cBN
• 1.1.4. Tính chất cơ lý của hạt mài CBN
• 1.1.5. Ứng dụng của đá mài cBN
• 1.1.6. Các phương pháp chế tạo đá mài CBN
• 1.1.6.1. Đá mài CBN đa lớp (đá mài phổ thông)
• 1.1.6.2. Đá mài CBN đơn lớp
• 1.2. Tổng quan về mài
• 1.2.1. Đặc điểm của quá trình mài
• 1.2.2. Cơ sở quá trình cắt khi mài
• 1.2.3. Quá trình tạo phoi khi mài
• 1.2.4. Động hình học quá trình mài
• 1.2.5. Tốc độ bóc tách vật liệu
• 1.2.6. Chiều dày phoi tương đương
• 1.2.7. Chất lượng bề mặt mài
• 1.2.7.1. Sự hình thành nhám bề mặt khi mài
• 1.2.7.2. Sự hình thành sóng bề mặt khi mài
• 1.2.7.3. Sự thay đổi cấu trúc bề mặt, sự hình thành ứng suất dư lớp bề mặt
• 1.2.8. Chế độ cắt và ảnh hưởng của chế độ cắt đến các thông số đặc trưng cho quá trình mài
• 1.2.8.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt
• 1.2.8.2. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến dung động khi mài
• 1.2.8.3. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến mòn và tuổi bền của đá
• 1.2.8.4. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt
• 1.2.9. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH MÀI
• 2.1. Cơ chế mài
• 2.1.1. Cơ chế tạo phoi
• 2.2. Ảnh hưởng của mòn đá đến nhám bề mặt và độ chính xác gia công
• 2.3. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CẮT GỌT CỦA ĐÁ MÀI cBN ĐƠN LỚP LIÊN KẾT KIM LOẠI BẰNG MẠ ĐIỆN KHI MÀI MẶT ĐẦU THÉP GIÓ P18
• 3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm đánh giá khả năng cắt của đá mài. Yêu cầu hệ thống thực nghiệm
• 3.2. Mô tả hệ thống thực nghiệm. Chi tiết mài
• 3.3. Dụng cụ và thiết bị đo
• 3.4. Đánh giá chất lượng đá mài chế tạo
• 3.5. Tiến hành thực nghiệm và thu thập kết quả thực nghiệm
• 3.5.1. Thực nghiệm mài
• 3.5.2. Đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài
• 3.6. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đá Mài cBN Đơn Lớp Liên Kết Kim Loại

Đá mài đóng vai trò then chốt trong gia công cơ khí, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, năng suất và giá thành sản phẩm. Đặc biệt, trong các nguyên công mài định hình, đá mài càng trở nên quan trọng. Cấu trúc của đá mài bao gồm ba thành phần chính: hạt mài, chất dính kết, và lỗ khí. Hạt mài thực hiện chức năng cắt gọt, chất dính kết liên kết các hạt mài, và lỗ khí tạo không gian thoát phoi. Đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại nổi bật với khả năng gia công vật liệu cứng, độ chính xác cao và tuổi thọ dài. Nghiên cứu này tập trung vào đánh giá khả năng cắt của loại đá mài này khi gia công thép gió, một vật liệu có độ cứng và khả năng chịu nhiệt cao. Việc hiểu rõ đặc tính và ứng dụng của đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình mài và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1. Thành Phần và Cấu Trúc Đá Mài cBN Đơn Lớp

Đá mài cBN đơn lớp khác biệt so với đá mài đa lớp ở cấu trúc. Đá mài đơn lớp chỉ có một lớp hạt mài cBN duy nhất gắn trên nền kim loại. Điều này đòi hỏi sự lựa chọn cẩn thận về kích thước hạt mài và phương pháp liên kết. Liên kết kim loại thường được sử dụng để đảm bảo độ bền và khả năng giữ hạt mài trong quá trình cắt. Cấu trúc này mang lại ưu điểm về khả năng thoát phoi tốt và giảm nhiệt độ mài. Tuy nhiên, việc chế tạo đòi hỏi công nghệ cao để đảm bảo lớp hạt mài đồng đều và liên kết vững chắc.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội của Hạt Mài CBN Cubic Boron Nitride

Hạt mài cBN là vật liệu siêu cứng, chỉ sau kim cương về độ cứng. Nó có khả năng chịu nhiệt cao và trơ về mặt hóa học, đặc biệt là với sắt. Điều này làm cho cBN trở thành lựa chọn lý tưởng để mài thép và các hợp kim chứa sắt. So với các loại hạt mài truyền thống như oxit nhôm, cBN có tuổi thọ cao hơn nhiều và tạo ra bề mặt gia công tốt hơn. Theo nghiên cứu, độ cứng của cBN gần gấp đôi oxide nhôm và khả năng chịu nhiệt đến 1371oC.

II. Vấn Đề Thách Thức Khi Mài Thép Gió Bằng Đá cBN

Mài thép gió, một loại vật liệu có độ cứng cao và khả năng chịu nhiệt tốt, đặt ra nhiều thách thức. Nhiệt độ cao phát sinh trong quá trình mài có thể gây ra biến dạng nhiệt và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Lực cắt lớn có thể dẫn đến mòn đá mài nhanh chóng và giảm độ chính xác gia công. Việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp và sử dụng dung dịch tưới nguội hiệu quả là rất quan trọng để giải quyết những vấn đề này. Ngoài ra, việc đánh giá và tối ưu hóa khả năng cắt của đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại cũng là một thách thức lớn.

2.1. Ảnh Hưởng của Nhiệt Độ Mài Đến Chất Lượng Bề Mặt

Nhiệt độ cao trong quá trình mài có thể gây ra nhiều vấn đề, bao gồm biến dạng nhiệt, ứng suất dư và thay đổi cấu trúc vật liệu bề mặt. Điều này có thể dẫn đến giảm độ bền và tuổi thọ của chi tiết gia công. Việc kiểm soát nhiệt độ mài là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước. Sử dụng dung dịch tưới nguội và lựa chọn chế độ cắt phù hợp là những biện pháp hiệu quả để giảm nhiệt độ mài.

2.2. Mòn Đá Mài và Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác Gia Công

Mòn đá mài là một vấn đề không thể tránh khỏi trong quá trình mài. Mòn đá mài có thể làm giảm khả năng cắt của đá, tăng lực cắt và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Việc lựa chọn vật liệu liên kết phù hợp và sử dụng chế độ cắt hợp lý có thể giúp giảm thiểu mòn đá mài. Ngoài ra, việc theo dõi và điều chỉnh quá trình mài thường xuyên cũng rất quan trọng để duy trì độ chính xác gia công.

2.3. Tối Ưu Hóa Chế Độ Cắt Để Nâng Cao Hiệu Quả Mài

Việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả mài cao nhất. Chế độ cắt bao gồm các thông số như tốc độ cắt, lượng ăn dao và chiều sâu cắt. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, nhiệt độ mài và độ mòn đá mài. Việc tối ưu hóa chế độ cắt đòi hỏi sự cân bằng giữa năng suất, chất lượng bề mặt và tuổi thọ đá mài. Các phương pháp mô phỏng quá trình mài và phân tích thực nghiệm có thể được sử dụng để tìm ra chế độ cắt tối ưu.

III. Phương Pháp Đánh Giá Khả Năng Cắt Đá Mài cBN Đơn Lớp

Đánh giá khả năng cắt của đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của quá trình mài. Các phương pháp đánh giá bao gồm đo lực cắt, phân tích độ nhám bề mặt, và kiểm tra độ mòn của đá mài. Phân tích thực nghiệm là phương pháp phổ biến để đánh giá khả năng cắt trong điều kiện gia công thực tế. Các kết quả thu được sẽ cung cấp thông tin quan trọng để lựa chọn và tối ưu hóa đá mài cho các ứng dụng cụ thể.

3.1. Đo Lực Cắt Trong Quá Trình Mài Thép Gió

Đo lực cắt là một phương pháp trực tiếp để đánh giá khả năng cắt của đá mài. Lực cắt lớn cho thấy đá mài cùn hoặc chế độ cắt không phù hợp. Lực cắt nhỏ cho thấy đá mài sắc bén và quá trình cắt diễn ra hiệu quả. Các cảm biến lực có thể được sử dụng để đo lực cắt theo các hướng khác nhau, cung cấp thông tin chi tiết về quá trình cắt.

3.2. Phân Tích Độ Nhám Bề Mặt Sau Khi Mài

Độ nhám bề mặt là một chỉ số quan trọng về chất lượng bề mặt gia công. Độ nhám bề mặt thấp cho thấy quá trình mài diễn ra tốt và đá mài có khả năng cắt tốt. Các thiết bị đo độ nhám bề mặt có thể được sử dụng để đo độ nhám bề mặt theo các tiêu chuẩn khác nhau.

3.3. Đánh Giá Độ Mòn của Đá Mài cBN Liên Kết Kim Loại

Độ mòn của đá mài là một chỉ số quan trọng về tuổi thọ của đá mài. Độ mòn thấp cho thấy đá mài có tuổi thọ cao và khả năng cắt ổn định. Các phương pháp đánh giá độ mòn bao gồm đo kích thước đá mài trước và sau khi mài, và quan sát bề mặt đá mài bằng kính hiển vi.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Kết Quả Nghiên Cứu Mài Thép Gió

Nghiên cứu về khả năng cắt của đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại có nhiều ứng dụng thực tế trong gia công cơ khí. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để lựa chọn và tối ưu hóa đá mài cho các ứng dụng cụ thể, nâng cao hiệu quả và độ chính xác gia công. Đặc biệt, trong gia công các vật liệu khó gia công như thép gió, việc sử dụng đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại có thể mang lại những lợi ích đáng kể.

4.1. Ứng Dụng Đá Mài cBN Trong Gia Công Khuôn Mẫu

Gia công khuôn mẫu đòi hỏi độ chính xác và chất lượng bề mặt cao. Đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng này nhờ khả năng cắt vượt trội và tuổi thọ cao. Việc sử dụng đá mài cBN có thể giúp giảm thời gian gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.2. Mài Chi Tiết Máy Chính Xác Bằng Đá Mài CBN

Mài chi tiết máy chính xác đòi hỏi độ chính xác kích thước và hình dạng cao. Đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại có thể đáp ứng được yêu cầu này nhờ khả năng cắt ổn định và khả năng duy trì hình dạng tốt. Việc sử dụng đá mài cBN có thể giúp giảm sai số gia công và nâng cao độ tin cậy của sản phẩm.

4.3. Kết Quả Nghiên Cứu Thực Nghiệm Mài Thép Gió P18

Nghiên cứu thực nghiệm mài thép gió P18 bằng đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại cho thấy kết quả khả quan. Độ nhám bề mặt sau khi mài đạt yêu cầu, lực cắt ổn định và độ mòn đá mài thấp. Các kết quả này chứng minh khả năng cắt hiệu quả của đá mài cBN trong gia công thép gió.

V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Đá Mài cBN

Nghiên cứu về khả năng cắt của đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại đã cung cấp những thông tin quan trọng về hiệu quả và ứng dụng của loại đá mài này. Kết quả nghiên cứu cho thấy đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại có khả năng cắt tốt và phù hợp cho gia công các vật liệu khó gia công như thép gió. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng nghiên cứu cần được tiếp tục để tối ưu hóa quá trình mài và mở rộng ứng dụng của đá mài cBN.

5.1. Đánh Giá Tổng Quan Về Hiệu Quả Kinh Tế Khi Mài

Việc sử dụng đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao nhờ tuổi thọ cao, khả năng cắt ổn định và chất lượng bề mặt gia công tốt. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho đá mài cBN có thể cao hơn so với các loại đá mài truyền thống. Việc đánh giá tổng quan về hiệu quả kinh tế cần xem xét cả chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành trong suốt quá trình sử dụng.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Vật Liệu Mài CBN

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào phát triển các loại vật liệu liên kết mới, tối ưu hóa cấu trúc đá mài và nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số mài đến khả năng cắt và tuổi thọ của đá mài. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp mô phỏng quá trình mài chính xác hơn cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo máy hiện đại, việc gia công các chi tiết có độ chính xác cao, chất lượng bề mặt và độ bền lớn là yêu cầu thiết yếu để phát triển các thiết bị công nghiệp tiên tiến. Phương pháp mài giữ vai trò quan trọng trong gia công tinh, đặc biệt với các vật liệu có độ cứng và độ bền cao như thép gió. Theo ước tính, vận tốc cắt trong quá trình mài thường dao động từ 30 đến 50 m/s, có thể lên đến 100 m/s trong mài cao tốc, vượt xa các phương pháp cắt gọt truyền thống. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế kỹ thuật của đá mài truyền thống như nhôm ôxít hay silic cacbua còn hạn chế khi gia công vật liệu khó như thép gió.

Sự ra đời của đá mài cBN (Cubic Boron Nitride) với độ cứng gấp đôi nhôm ôxít và khả năng chịu nhiệt lên đến 1371°C đã mở ra hướng đi mới cho công nghệ mài. Đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện được đánh giá cao nhờ khả năng duy trì dung sai nhỏ, tạo ra chất lượng bề mặt gia công ổn định và không cần sửa đá trong quá trình sử dụng. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng cắt của đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại bằng mạ điện khi mài mặt đầu vật liệu thép gió P18 trên máy mài phẳng, nhằm cung cấp tài liệu tham khảo cho sản xuất và giảng dạy trong ngành kỹ thuật cơ khí.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thông số chất lượng bề mặt gia công, ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt và tuổi thọ của đá mài trong điều kiện thực nghiệm tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Ý nghĩa của đề tài không chỉ mang tính khoa học mà còn có giá trị thực tiễn trong việc ứng dụng công nghệ mài cBN tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong gia công cơ khí chính xác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá trình mài và cơ chế tạo phoi trong gia công cắt gọt kim loại. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết quá trình mài và cơ chế tạo phoi: Quá trình mài được mô hình hóa như sự cào xước tế vi bề mặt gia công bởi các hạt mài cứng với vận tốc cao. Mô hình tạo phoi truyền thống của Merchant được sử dụng để giải thích lực cắt và năng lượng tiêu hao trong quá trình mài, đồng thời thuyết hiệu ứng kích được áp dụng để giải thích sự tăng ứng suất chảy khi chiều dày phoi không biến dạng nhỏ.

2. Cơ chế mòn đá mài: Nghiên cứu các dạng mòn đá mài gồm mòn do ma sát, mòn do vỡ hạt đá mài và mòn do đứt gãy liên kết chất kết dính. Hệ số mòn đá G được sử dụng để đánh giá khả năng chống mòn của đá mài, với ba giai đoạn mòn: mòn nhanh ban đầu, mòn bình ổn và mòn khốc liệt.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: độ cứng hạt mài cBN, độ nhám bề mặt (Ra, Rt), lực cắt (Pz, Py, Px), nhiệt cắt, tuổi thọ đá mài, và các thông số chế độ cắt như chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm với quy trình cụ thể như sau:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm mài mặt đầu thép gió P18 bằng đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại chế tạo bằng phương pháp mạ điện trên máy mài phẳng tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thí nghiệm được thực hiện với nhiều mẫu thép gió P18, lựa chọn theo phương pháp ngẫu nhiên có kiểm soát để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi quang học và kỹ thuật số để quan sát bề mặt đá mài và mẫu sau mài, máy đo độ nhám bề mặt SJ 400 để xác định các chỉ số Ra, Rt, thiết bị đo độ cứng và panme điện tử để đo kích thước. Phân tích số liệu bằng phương pháp thống kê mô tả và so sánh các thông số chế độ cắt với kết quả độ nhám và tuổi thọ đá.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu và thiết bị (1 tháng), tiến hành thí nghiệm (3 tháng), xử lý và phân tích dữ liệu (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt: Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng chiều sâu cắt từ khoảng 0,01 mm lên 0,05 mm, độ nhám Ra của bề mặt thép gió tăng từ 0,16 µm lên 0,32 µm, tương ứng tăng 100%. Tương tự, khi tăng lượng chạy dao ngang Sn, độ nhám cũng tăng rõ rệt, ví dụ từ 0,18 µm lên 0,35 µm khi Sn tăng gấp đôi.

2. Tuổi thọ đá mài cBN đơn lớp: Đá mài cBN cho thấy tuổi thọ trung bình khoảng 120 phút trong điều kiện mài liên tục, cao hơn 3-5 lần so với đá mài truyền thống. Hệ số mòn G được xác định khoảng 50, cho thấy khả năng chống mòn vượt trội.

3. Chất lượng bề mặt và cấu trúc lớp bề mặt: Quan sát bằng kính hiển vi điện tử cho thấy bề mặt mài bằng đá cBN có ít vết nứt và biến dạng so với đá mài thông thường. Độ cứng lớp bề mặt sau mài duy trì ở mức 60-65 HRC, chứng tỏ ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt cắt.

4. Lực cắt và rung động khi mài: Lực cắt Pz tăng theo chiều sâu cắt và lượng chạy dao, tuy nhiên đá mài cBN duy trì lực cắt ổn định hơn do tính dẫn nhiệt cao và khả năng tự mài sắc. Rung động trong quá trình mài được giảm thiểu, góp phần nâng cao chất lượng bề mặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng độ nhám bề mặt khi tăng chiều sâu cắt và lượng chạy dao là do sự gia tăng lực cắt và nhiệt sinh ra tại vùng tiếp xúc, làm giảm khả năng cắt gọt mịn của các hạt mài. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với mô hình lý thuyết về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt.

Tuổi thọ đá mài cBN cao hơn đáng kể so với đá mài truyền thống nhờ đặc tính độ cứng và tính dẫn nhiệt vượt trội của hạt cBN, giúp giảm nhiệt độ mài và hạn chế mòn hạt mài. Điều này cũng đồng nghĩa với việc giảm chi phí thay thế đá và tăng năng suất gia công.

Việc duy trì độ cứng lớp bề mặt sau mài cho thấy đá mài cBN không gây ra hiện tượng cháy bề mặt hay biến dạng nhiệt lớn, điều này rất quan trọng đối với các chi tiết yêu cầu độ bền mỏi cao như dụng cụ cắt gọt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và độ nhám Ra, biểu đồ tuổi thọ đá mài theo thời gian mài, và bảng so sánh lực cắt giữa đá mài cBN và đá mài truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu chế độ cắt: Khuyến nghị sử dụng chiều sâu cắt từ 0,01 đến 0,03 mm và lượng chạy dao vừa phải để đảm bảo độ nhám bề mặt dưới 0,2 µm, nâng cao chất lượng chi tiết gia công. Thời gian áp dụng: ngay trong các quy trình sản xuất hiện tại.

2. Ứng dụng đá mài cBN đơn lớp mạ điện: Khuyến khích các nhà máy cơ khí chế tạo máy sử dụng đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại bằng mạ điện để gia công thép gió và các vật liệu cứng khác nhằm tăng tuổi thọ đá và giảm chi phí sửa chữa. Chủ thể thực hiện: bộ phận sản xuất và quản lý chất lượng.

3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho công nhân vận hành máy mài về đặc tính và cách sử dụng đá mài cBN hiệu quả, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết. Thời gian: 3-6 tháng.

4. Nghiên cứu mở rộng: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như dung dịch tưới nguội, tốc độ cắt cao và các loại thép khác để hoàn thiện quy trình mài bằng đá cBN. Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia gia công cơ khí: Nắm bắt kiến thức về công nghệ mài hiện đại, áp dụng đá mài cBN để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học về gia công vật liệu và công nghệ mài.

3. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo máy: Đánh giá và quyết định đầu tư công nghệ mài mới nhằm tối ưu hóa chi phí và nâng cao năng suất.

4. Các nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu công nghiệp: Tham khảo kết quả nghiên cứu về đặc tính và ứng dụng của đá mài cBN trong gia công các vật liệu siêu cứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Đá mài cBN đơn lớp khác gì so với đá mài đa lớp?
   Đá mài cBN đơn lớp được chế tạo bằng phương pháp mạ điện với một lớp hạt mài cBN phủ trên thân kim loại, không cần sửa đá trong quá trình sử dụng, phù hợp cho gia công chính xác. Đá mài đa lớp gồm nhiều lớp hạt mài, thường cần sửa đá định kỳ.

2. Tại sao đá mài cBN có tuổi thọ cao hơn đá mài truyền thống?
   Do hạt mài cBN có độ cứng gấp đôi nhôm ôxít và khả năng chịu nhiệt cao, giúp giảm mòn hạt mài và nhiệt sinh ra trong quá trình mài, từ đó kéo dài tuổi thọ đá.

3. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt như thế nào?
   Tăng chiều sâu cắt và lượng chạy dao làm tăng lực cắt và nhiệt độ, dẫn đến độ nhám bề mặt tăng, giảm chất lượng gia công. Do đó cần điều chỉnh chế độ cắt phù hợp để đạt chất lượng mong muốn.

4. Có cần sử dụng dung dịch tưới nguội khi mài bằng đá cBN không?
   Đá mài cBN có khả năng dẫn nhiệt tốt, có thể mài khô trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, sử dụng dung dịch tưới nguội vẫn giúp giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọ đá, đặc biệt khi mài với tốc độ cao.

5. Đá mài cBN có thể áp dụng cho những vật liệu nào khác ngoài thép gió?
   Ngoài thép gió, đá mài cBN còn phù hợp để gia công các vật liệu cứng như thép cácbon đã nhiệt luyện, hợp kim cứng, và các chi tiết máy trong công nghiệp hàng không, ô tô, và hạt nhân.

Kết luận

• Đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại bằng mạ điện thể hiện khả năng cắt gọt vượt trội khi mài thép gió, với tuổi thọ đá cao gấp 3-5 lần đá mài truyền thống.
• Chế độ cắt ảnh hưởng rõ rệt đến độ nhám bề mặt và lực cắt; việc tối ưu chiều sâu cắt và lượng chạy dao giúp nâng cao chất lượng gia công.
• Đặc tính cơ lý của hạt mài cBN như độ cứng, tính dẫn nhiệt và khả năng chống mòn góp phần tạo ra bề mặt gia công ổn định, giảm biến dạng nhiệt và rung động.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mở rộng ứng dụng công nghệ mài cBN tại Việt Nam trong gia công cơ khí chính xác.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khác và đào tạo chuyển giao công nghệ để nâng cao hiệu quả sản xuất.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các khuyến nghị trong sản xuất thực tế và phát triển các nghiên cứu chuyên sâu nhằm hoàn thiện quy trình mài bằng đá mài cBN. Các nhà quản lý và kỹ sư trong ngành cơ khí chế tạo máy nên xem xét đầu tư và áp dụng công nghệ này để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐÁ MÀI cBN VÀ MÀI 1. Tổng quan về đá mài cBN 1. Thành phần và cấu trúc của đá mài Dụng cụ cắt sử dụng trong nguyên công mài là đá mài. Đá mài đóng vai trò rất quan trọng đến chất lượng, năng suất và giá thành mài, đặc biệt là trong các nguyên công mài định hình như mài bề mặt răng của bánh răng, mài các bề mặt dẫn hướng,… Cấu trúc của đá mài là một thể gồm 3 pha: Hạt mài làm nhiệm vụ cắt kim loại; chất dính kết có nhiệm vụ liên kết các hạt mài lại với nhau thành một khối; lỗ khí có trong đá mài.1 thể hiện nguyên lý cấu tạo của đá mài đa lớp.

Một số đặc điểm cơ bản của 3 thành phần đá mài đa lớp gồm: a) Hạt mài: Hạt mài là thành phần chính của đá mài, mỗi hạt mài có nhiệm vụ như một lưỡi cắt nên nó phải có yêu cầu như các loại vật liệu làm lưỡi cắt. Hình dạng hình học của các hạt mài thường không thuận lợi cho quá trình cắt. Hầu hết các hạt mài đều có góc cắt âm. Hạt mài phải có độ cứng rất cao, nó được chia ra hai loại: Hình 1.1: Đá mài đa lớp - Loại phổ thông (hạt mài truyền thống): như nhôm ôxít (Al2O3), silic cacbua (SiC); - Loại đặc biệt (hạt mài siêu cứng): gồm cBN và kim cương.

b) Chất dính kết: Chất dính kết làm nhiệm vụ liên kết các hạt mài lại với nhau thành một khối, giữ cho các hạt mài không bị văng ra khỏi đá khi cắt vào chi tiết gia công và các chất dính két có yêu cầu sau: - Tạo ra được độ kết dính phải đủ bền để có thể chịu được tác động của lực mài, nhiệt độ và các lực li tâm mà không bị vỡ ra; - Chịu được các tác dụng hoá học từ các dung dịch trơn nguội khi cắt; - Đảm bảo độ rắn chắc, có khả năng giữ được các hạt mài trong quá trình gia công; - Có khả năng loại bỏ những hạt mài đã bị cùn trong quá trình mài ra khỏi đá; Có 3 loại chất dính kết cơ bản được sử dụng là: kim loại, thuỷ tinh hoá và nhựa. c) Lỗ khí: Các lỗ khí có mặt trong đá đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến 14 khả năng cắt gọt của đá cũng như thời gian và chất lượng của quá trình sửa đá. Hiện nay, đá mài được chế tạo ở hai dạng là đá mài đa lớp (đá mài thông thường) và đá mài đơn lớp: 1. Đá mài đa lớp: Là loại đá mài được chế tạo thành khối gồm nhiều lớp hạt mài gắn lên một thân đá hoặc là nguyên khối và các lớp hạt mài này sẽ bị mòn hoặc bong ra trong quá trình mài.

Vật liệu hạt mài để chế tạo đá mài này thể là các vật liệu hạt mài thông thường như silic cácbua, nhôm ôxít,… hoặc các vật liệu hạt mài siêu cứng như kim cương, cBN. Đối với đá đa lớp của các hạt mài thông thường đá được chế tạo cả khối, còn với đá mài chế tạo bằng kim cương và cBN thì được chế tạo một lớp mỏng khoảng 3 mm sau đó dán lên lõi làm bằng thép hoặc một kim loại hay hợp kim thích hợp nào đó. Đá mài đơn lớp Đá mài đơn lớp được tạo ra bằng cách tạo một lớp hạt mài bao quanh một lõi kim loại (hình 1. Đá mài đơn lớp chỉ được chế tạo bằng các hạt mài siêu cứng như hạt mài cBN hoặc kim cương để đảm bảo tuổi thọ của đá.

Đá mài đơn lớp sau khi chế tạo không cần phải sửa đá như các đá mài đa lớp mà chỉ cần làm sạch bề mặt là có thể đưa vào gia công. Đối với đá mài đơn lớp, lớp phủ tương ứng với đường kính trung bình của hạt mài. Phần nhô ra khỏi Hình 1.2: Đá mài đơn lớp chất dính kết của các hạt mài quyết định khoảng không gian thoát phoi và phần tham gia quá trình cắt của hạt mài. Do vậy khi chế tạo loại đá mài này cần xác định hợp lý phần hạt nằm trong chất dính kết để vừa có thể neo giữ hạt mài trong chất dính kết vừa đảm bảo khoảng thoát phoi hợp lý.

Nếu phần chôn lấp của hạt mài trong chất dính kết lớn thì sẽ làm giảm khoảng thoát phoi và phần hạt mài tham gia quá trình cắt. Ngược lại, nếu phần nhô ra của hạt mài quá lớn thì khoảng cắt và thoát phoi lớn nhưng lại làm giảm khả năng neo giữ hạt mài trong chất dính kết làm hạt mài dễ bị bong ra trong quá trình cắt. Đặc điểm của hạt mài cBN Hạt mài là thành phần tạo ra các lưỡi cắt của đá mài. Do vậy, đặc điểm cơ lý 15 hóa tính của hạt mài ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình cắt của nó.

cBN là một trong các loại hạt mài được sử dụng rộng rãi gần đây. Hạt mài cBN được dùng thay thế cho nhôm ôxít để chế tạo đá mài mài ổ bi, các chi tiết ô tô và các chi tiết hàng không vũ trụ. cBN được tổng hợp từ bo nitrít ở dạng thù hình là lục giác lớp (“Graphit trắng”) hay còn gọi là HBN với chất xúc tác, nhiệt độ 1537 °C y 2038°C (2800°F y 3700°F) và áp suất 3,45 MPa y 6,2 MPa tạo ra cấu trúc tinh thể bền, cứng, có dạng khối với góc sắc bén được gọi là cBN. cBN lần đầu tiên được tổng hợp bởi nhà khoa học Wentdorf tại Công ty General Electric (GE) vào năm 1957 và được thương mại hóa sau 12 năm vào năm 1969.

Do có độ cứng rất cao và độ dai va đập lớn, đá mài làm bằng cBN có khả năng gia công với độ chính xác cao, quá trình cắt ổn định và do vậy có thể tạo ra chất lượng bề mặt gia công tốt và ổn định. Hạt mài cBN được coi là loại vật liệu hạt mài tốt nhất hiện nay khi mài thép cácbon sau nhiệt luyện vì: Tính ổn định nhiệt cao hơn kim cương, không có ái lực với cácbon và do vậy không bị mòn ma sát do sự khuyếch tán cacbon như kim cương. Với các đặc tính ưu việt đó, đá mài cBN đã và đang là đối tượng nghiên cứu trong các quá trình mài gần đây, đặc biệt là trong mài định hình hay mài có chiều sâu cắt lớn và bước tiến dao nhỏ (Feed- Creep Grinding). Các loại hạt cBN Nếu phân chia hạt cBN theo sử dụng lớp phủ hay không có lớp phủ, hạt mài cBN có 2 loại: - Borazon cBN loại 1 là hạt mài không có lớp phủ được sử dụng để chế tạo đá mài liên kết kim loại; - Borazon cBN loại 2 là các hạt cBN có phủ Niken được sử dụng để chế tạo đá mài với các liên kết nhựa để mài khô và ướt các chi tiết thép tôi.

Sự ưu việt của hạt mài cBN thể hiện ở một số đặc tính chính là: độ cứng, độ chịu mài mòn, độ bền nén, tính dẫn nhiệt, lực cắt và rung động, những đặc tính này rất cần thiết khi mài các vật liệu siêu cứng và mài ở tốc độ tách bỏ vật liệu cao. Hạt cBN được sản xuất chủ yếu bởi công ty General Electric (GE) (Hoa Kỳ), bởi De Beers từ các địa điểm ở châu Âu và Nam Phi và Showa Denko từ Nhật Bản. Nga và Romani cũng đã sản xuất được cBN cách đây hơn 30 năm và gần đây Trung Quốc đã trở thành một nhà sản xuất quan trọng loại vật liệu này. Người ta cho rằng dự kiến giá cBN sẽ giảm mạnh trong thập kỷ tới, cung cấp những cơ hội mới cho công nghệ mài sử dụng hạt mài cBN.3 thể hiện một số hạt mài cBN do GE chế tạo.

16 a) cBN có lớp phủ b) cBN không có lớp phủ Hình 1.3: Hình ảnh một số loại hạt cBN của GE Hình 1.4: Các mặt phát triển của tinh thể CBN và hình thái hình học Bo nitrit thường ở dạng thù hình là lục giác (như grafit) gọi là HBN hoặc α- BN tương tự như grafit nhưng các nguyên tử bo và nitơ thay thế cho các nguyên tử cácbon. Wentorf nhận thấy sự tương đồng về cấu trúc của nó với grafit và tiến hành xác định nhiệt độ thích hợp để chuyển thành dạng cấu trúc khối-cBN (J-BN). cBN không có trong tự nhiên mà chỉ tạo ra bằng phương pháp tổng hợp trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tương tự như tạo ra kim cương tổng hợp Hình thái của hạt cBN, như của kim cương, có thể điều khiển khi tổng hợp bằng mối quan hệ giữa sự phát triển theo mặt bát diện (111) và mặt khối (100). Điều đó được điều khiển bởi sự phối hợp nhiệt độ và áp suất.

Khi phát triển nhiều theo mặt (111), nhưng vì có cả bo và Hình 1.5: Ảnh một số hạt cBN thương mại nitơ trong mạng, một vài mặt (111) bị kết thúc bởi các nguyên tử bo hoặc các 17 nguyên tử nitơ. Khi tạo ra trên mặt (111) kết thúc bởi các nguyên tử bo và kết quả là tạo ra hình thái của tinh thể là tứ diện cụt nhưng tạo ra các mặt song song hoặc khối bát diện cũng thường gặp như trong (hình 1.4) cBN có khả năng tạo ra nhiều loại hình dạng của hạt hơn kim cương. Khi cBN nguyên chất và cân bằng thì ở dạng không màu, nhưng các hạt mài bán trên thị trường (hình 1.5) thường có nhiều dạng từ màu hổ phách đến màu nâu đến màu đen phụ thuộc vào mức độ và loại tạp chất mà nó chứa, màu đen thường là sự dư thừa của Bo. Tính chất cơ lý của hạt mài cBN a.

Độ cứng Độ cứng của cBN ở nhiệt độ phòng xấp xỉ 4500 kG/mm2 bằng khoảng một nửa độ cứng của Kim cương và gấp đôi độ cứng của các hạt mài thông thường (hình 1.6) Đá mài kim cương và đá mài cBN có nhiều tính chất tương tự nhau nhưng chúng có các ứng dụng khác nhau. Do kim cương có thành phần cơ bản là cacbon nên chúng phản ứng với sắt trong thép, khi làm việc ở tốc độ cao, lượng nhiệt phát sinh lớn, ái lực của thép với cacbon tăng nhanh, các phân tử cacbon bị hút vào thép làm cho kim cương bị ăn mòn. Mặt khác ở nhiệt độ 600 ÷ 7000qC khi kim cương tiếp xúc với không khí sẽ bị ăn mòn do quá trình ôxy hóa. Do đó ngày nay đá mài cBN được coi là dụng cụ hảo hạng trong việc mài các vật liệu chứa sắt vì nó ổn định đến 1371oC và không phản ứng với sắt .6: Độ cứng của các loại hạt mài b.

Tính chịu nhiệt của cBN cBN có tính ổn định nhiệt trong nitơ và chân không tới nhiệt độ 1500 OC.