I. Tổng quan về máy mài bóng bề mặt chi tiết dạng tấm
Ngành gia công cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao về kích thước và chất lượng bề mặt. Các chi tiết kim loại dạng tấm xuất hiện phổ biến trong kết cấu khung vỏ, thiết bị y tế và dân dụng. Nhu cầu hoàn thiện thẩm mỹ bề mặt ngày càng gia tăng rõ rệt. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán này. Mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo máy mài bóng bề mặt chi tiết dạng tấm hoàn chỉnh. Thiết bị sử dụng cơ cấu đai nhám vòng để xử lý phôi phẳng. Cơ chế này mang lại tốc độ bóc tách vật liệu ổn định. Đồng thời hệ thống duy trì áp lực tiếp xúc đồng đều trên toàn bộ diện tích làm việc. Quá trình gia công diễn ra liên tục, thay thế các thao tác thủ công nặng nhọc. Máy mài bóng giúp nâng cao năng suất gia công cơ khí đáng kể. Kết cấu máy được tối ưu hóa về mặt cơ học để giảm thiểu rung động khi vận hành. Thiết kế này đem lại giải pháp công nghệ hiệu quả và kinh tế cho các xưởng chế tạo vừa và nhỏ.
1.1. Bối cảnh công nghệ chế tạo cơ khí hiện đại
Sự phát triển công nghiệp đặt ra yêu cầu khắt khe về chất lượng sản phẩm kim loại. Bề mặt chi tiết tấm cần độ phẳng cao và tính thẩm mỹ hoàn hảo. Các phương pháp gia công thủ công bộc lộ nhiều điểm yếu cố hữu. Năng suất lao động thấp khiến chi phí sản xuất tăng cao. Người vận hành dễ gặp tai nạn nghề nghiệp trong môi trường nhiều bụi kim loại. Bề mặt mài thủ công thiếu tính đồng nhất trên diện tích rộng. Chế tạo máy chuyên dụng là xu thế tất yếu trong tự động hóa. Đề tài tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy nắm bắt trực tiếp nhu cầu cấp thiết này. Mô hình thiết kế hướng tới giải quyết bài toán mài phẳng tự động hóa. Hệ thống tối ưu hóa quy trình hoàn thiện kim loại tấm dạng dẹt.
1.2. Mục tiêu kỹ thuật của đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu đặt mục tiêu làm chủ quy trình thiết kế và chế tạo máy mài tấm. Kết cấu cơ khí phải đáp ứng khả năng gia công ổn định và chính xác. Đề tài tập trung xây dựng cơ cấu mài bằng đai nhám vòng liên tục. Thiết kế tích hợp cụm rulô truyền động và bàn kẹp giữ phôi chắc chắn. Động cơ cung cấp công suất 1,42 kW cùng tốc độ quay 2800 vòng/phút. Tỉ số truyền động giữa các trục được tính toán đồng bộ theo tỷ lệ tối ưu. Máy cần đảm bảo khả năng bóc tách vật liệu phẳng đồng đều. Thành phẩm sau mài bóng phải triệt tiêu hiện tượng cong vênh chi tiết mỏng. Máy hướng đến việc ứng dụng trực tiếp tại các xưởng gia công cơ khí trong nước.
II. Phân tích bài toán máy mài bóng bề mặt chi tiết dạng tấm
Gia công mài tấm mỏng luôn đối mặt với hiện tượng biến dạng nhiệt. Lực ép không đều dễ làm phôi kim loại cong vênh hoặc cháy bề mặt. Khi mài bằng tay, áp lực mài thay đổi liên tục theo thời gian làm việc. Điều này gây nên sự sai lệch về chiều dày chi tiết gia công. Ngoài ra, độ hạt của vật liệu mài phân bố không đồng đều gây xước sâu. Khi mài chi tiết tấm kim loại dạng dẹt, diện tích tiếp xúc lớn sinh nhiệt nhanh. Hệ thống làm mát và thoát phoi cần được tính toán bài bản. Nếu nhiệt tích tụ quá mức, cơ tính lớp bề mặt sẽ suy giảm nghiêm trọng. Việc kiểm soát lực mài tiếp tuyến là bài toán cốt lõi trong cơ khí. Nghiên cứu xác định hệ số lực mài Cp đối với từng loại vật liệu gia công. Với thép đã nhiệt luyện, giá trị Cp đạt mức 2,2. Với thép chưa nhiệt luyện, hệ số tương ứng là 2,1. Cơ sở này giúp nhóm tác giả xây dựng mô hình tính toán động lực học chính xác. Thiết bị giải quyết triệt để sự thiếu ổn định của các phương pháp bán tự động.
2.1. Yếu tố ảnh hưởng đến độ bóng bề mặt phôi tấm
Chất lượng bề mặt phụ thuộc trực tiếp vào vận tốc đai nhám và áp lực đè. Khi vận tốc đai không đổi, lực ép quyết định chiều sâu vết cắt hạt mài. Áp lực quá lớn sẽ làm mòn nhanh đai nhám và gây cháy xém kim loại. Ngược lại, áp lực quá nhỏ khiến hạt mài trượt trơn và không đạt độ bóng mong muốn. Kích thước hạt mài (grit) đóng vai trò quyết định trong từng giai đoạn gia công. Giai đoạn mài thô cần hạt lớn để bóc tách nhanh lượng dư thừa. Giai đoạn mài tinh cần hạt mịn nhằm làm phẳng các đỉnh nhấp nhô tế vi. Sự phân bố đồng đều của các hạt mài trên nền vải giúp ổn định lực cắt. Điều này bảo đảm không tạo ra các rãnh xước cục bộ ngoài ý muốn.
2.2. Nhược điểm của thiết bị mài cầm tay truyền thống
Phương pháp dùng máy mài cầm tay bộc lộ nhiều điểm hạn chế kỹ thuật. Người thợ khó duy trì góc nghiêng và lực tỳ đồng nhất trong suốt ca làm. Hiện tượng lồi lõm cục bộ thường xuyên xảy ra trên phôi kích thước lớn. Bụi mài phát tán tự do đe dọa sức khỏe của người lao động. Nguy cơ vỡ đĩa mài ở tốc độ cao tiềm ẩn rủi ro chấn thương nặng nề. Năng suất gia công phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề và thể lực công nhân. Sự thiếu ổn định khiến tỷ lệ phế phẩm tăng cao sau bước sơn phủ hoặc mạ. Do đó, việc chuyển đổi sang máy mài bán tự động là yêu cầu cấp thiết. Thiết bị mới giúp chuẩn hóa chất lượng bề mặt chi tiết hàng loạt.
III. Giải pháp thiết kế máy mài bóng bề mặt chi tiết dạng tấm
Nhóm tác giả tại ĐH SPKT TP.HCM đề xuất phương án dẫn động bằng đai nhám vòng dẹt. Hệ thống sử dụng động cơ điện công suất 1,42 kW với vận tốc quay định mức 2800 vòng/phút. Tỷ số truyền toàn hệ thống đạt giá trị u = 1 nhằm giữ nguyên tốc độ vòng từ động cơ. Vận tốc vòng của đai đạt mức thiết kế 17,5 m/s, phù hợp cho chế độ mài bóng kim loại phẳng. Cơ cấu căng đai hoạt động tự động giúp bù trừ hiện tượng giãn dài trong quá trình cắt. Bánh dẫn rulo chủ động có đường kính tính toán D1 = 120 mm. Rulo bị dẫn có đường kính D2 = 60 mm, tạo tỷ số truyền tối ưu cho cụm trục phụ. Chiều rộng bánh đai B được thiết kế đạt 120 mm để tương thích với bản đai nhám rộng 100 mm. Toàn bộ kết cấu khung máy gia công từ thép hình chịu lực, hàn vững chắc nhằm hấp thụ dao động. Hệ thống kẹp phôi dạng bàn trượt vít me dẫn hướng chuyển động tịnh tiến êm dịu. Giải pháp này giúp quá trình bóc tách bề mặt đạt độ ổn định hình học tuyệt đối.
3.1. Tính toán thông số truyền động học đai dẹt
Quá trình tính toán động học dựa trên nguyên lý bộ truyền đai dẹt. Lực mài tối đa được xác định với hệ số Cp = 2,2 cho thép nhiệt luyện. Bánh dẫn động rulo được tính theo công thức lý thuyết đạt giá trị 95,7 mm. Kích thước thực tế chọn chuẩn hóa D1 = 120 mm để tăng diện tích tiếp xúc. Vận tốc dài của đai nhám duy trì ở mức 17,5 m/s giúp nâng cao hiệu quả cắt. Bánh rulo bị dẫn đạt đường kính D2 = 60 mm có tính đến hệ số trượt xi. Chiều rộng rulô chọn B = 120 mm để bảo vệ mép nhám bản rộng 100 mm. Các thông số động lực học đáp ứng đầy đủ điều kiện bền và chống rung.
3.2. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đai nhám vòng
Đai nhám vòng cấu tạo gồm lớp vải nền chịu tải, keo kết dính và hạt mài. Lớp vải nền có tính dai cao, chịu nhiệt ma sát tốt trong quá trình quay. Hạt mài đóng vai trò lưỡi cắt tế vi, tiếp xúc trực tiếp bề mặt tấm kim loại. Mối nối đai dán chồng hoặc dán bằng màng PVC chuyên dụng giúp mối ghép phẳng mịn. Đai nhám chuyển động vòng kín liên tục qua hai quả lô chủ động và bị dẫn. Độ hạt đai nhám thay đổi linh hoạt theo ký hiệu số hạt từ P60 đến P400. Người vận hành dễ dàng thay đổi đai nhám phù hợp cho mài thô hoặc mài tinh. Cơ chế chuyển động tuần hoàn liên tục giúp hạt mài tự làm mát tự nhiên trong không khí.
IV. Đánh giá chất lượng máy mài bóng bề mặt chi tiết dạng tấm
Kết quả chế tạo thực nghiệm chứng minh tính khả thi cao của máy mài bóng tấm phẳng. Bề mặt gia công đạt chuẩn chất lượng mài tinh cấp 7 đến cấp 8. Giá trị độ nhám bề mặt Ra dao động ổn định trong khoảng 0,32 đến 1,25 µm theo TCVN 2511:1995. Chi tiết sau khi mài giữ được độ phẳng đồng đều, không cong vênh hay lồi lõm cục bộ. Bề mặt phản xạ ánh sáng tốt, loại bỏ hoàn toàn các khuyết tật và lỗ rỗ tế vi. Năng suất gia công tăng gấp nhiều lần so với các công đoạn mài thủ công truyền thống. Hệ thống vận hành êm ái, đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn lao động cơ khí. Bụi mài được thu gom hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm không khí tại nơi làm việc. Nghiên cứu khẳng định năng lực ứng dụng thực tiễn của sinh viên ĐH SPKT TP.HCM. Thiết bị mở ra khả năng thương mại hóa phục vụ trực tiếp ngành công nghiệp phụ trợ.
4.1. Tiêu chuẩn đánh giá bề mặt theo TCVN 2511 1995
TCVN 2511:1995 quy định rõ ràng các cấp độ nhám bề mặt sau gia công cắt gọt. Máy mài bóng đạt kết quả mài tinh ở cấp độ hoàn thiện từ cấp 7 đến cấp 8. Biên độ nhám trung bình Ra duy trì trong dải từ 0,32 µm đến 1,25 µm. Độ đồng đều của bề mặt được kiểm chứng thông qua thiết bị đo độ nhám tiếp xúc. Phôi kim loại sau gia công không xuất hiện vết cháy nhiệt hay biến dạng dư. Bề mặt có độ phản chiếu ánh sáng đồng đều và đạt yêu cầu thẩm mỹ công nghiệp. Việc kiểm tra khuyết tật bề mặt không phát hiện vết nứt hay vết cào xước sâu. Kết quả này đáp ứng đầy đủ điều kiện để chi tiết bước vào công đoạn sơn mạ tiếp theo.
4.2. Khả năng ứng dụng và chuyển giao công nghệ sản xuất
Thiết kế máy mài đai nhám vòng sở hữu tính ứng dụng thực tiễn rất cao. Thiết bị phù hợp với các cơ sở gia công cơ khí vừa và nhỏ tại Việt Nam. Giá thành chế tạo máy nội địa thấp hơn nhiều so với dây chuyền ngoại nhập. Cấu trúc mô đun hóa cho phép dễ dàng bảo trì và thay thế linh kiện hao mòn. Máy có thể mở rộng để gia công nhiều loại vật liệu như thép, inox hay nhôm. Quy trình vận hành đơn giản giúp rút ngắn thời gian đào tạo thợ đứng máy. Việc đưa máy vào dây chuyền sản xuất giúp nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. Thiết bị đảm bảo sản phẩm xuất xưởng có chất lượng bề mặt ổn định và đồng nhất.
