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.