Luận văn: Nâng cao hiệu quả quá trình mài phẳng khi mài tinh - Lưu Anh Tùng

Chuyên khảo phân tích Luận văn nghiên cứu cải thiện kết quả của quá trình mài phẳng khi mài tinh, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Lưu Anh Tùng
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Ngọc Pi
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của quá trình mài phẳng khi mài tinh
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Mài phẳng khi mài tinh Tổng quan và tầm quan trọng

Quá trình mài phẳng là một nguyên công gia công tinh then chốt trong ngành gia công cơ khí chính xác. Nó đóng vai trò quyết định để đạt được độ chính xác hình học và chất lượng bề mặt gia công cao, đặc biệt với các chi tiết đã qua nhiệt luyện có độ cứng lớn như thép SKD11 hay thép 90CrSi. Theo thống kê, chi phí cho gia công mài chiếm tới 20-25% tổng chi phí gia công cơ nói chung, cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa quy trình này. Luận án “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của quá trình mài phẳng khi mài tinh” của tác giả Lưu Anh Tùng (2020) đã tập trung giải quyết bài toán này. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật thông qua việc xác định các thông số công nghệ mài hợp lý. Các thông số này bao gồm chế độ cắt khi mài, chế độ sửa đá mài, chế độ sử dụng dung dịch trơn nguội, và đặc biệt là xác định đường kính thay đá tối ưu. Mục tiêu cuối cùng là giảm giá thành sản xuất, tăng năng suất mài và đảm bảo độ nhám bề mặt đạt yêu cầu kỹ thuật. Việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại như phương pháp Taguchi và phân tích ANOVA giúp làm rõ ảnh hưởng của từng yếu tố, cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc lựa chọn thông số tối ưu trong thực tiễn sản xuất.

1.1. Đặc điểm cơ bản của quá trình mài phẳng

Mài phẳng có những đặc trưng riêng biệt so với các phương pháp cắt gọt khác. Đá mài được xem là dụng cụ cắt có vô số lưỡi cắt với thông số hình học ngẫu nhiên, không đồng nhất. Quá trình tạo phoi diễn ra ở tốc độ rất cao (20-40 m/s), sinh ra nhiệt cắt trong gia công rất lớn, có thể lên tới 1500°C. Điều này gây ra những thách thức lớn về kiểm soát chất lượng và biến dạng nhiệt. Lực cắt khi mài tuy nhỏ nhưng lực cắt đơn vị lại rất lớn do diện tích tiếp xúc giữa hạt mài và vật liệu phôi cực nhỏ. Một đặc điểm quan trọng là khả năng tự mài sắc của đá, khi các hạt mài mòn bị vỡ hoặc bật ra, để lộ các hạt sắc bén mới. Tuy nhiên, việc không thể điều chỉnh vị trí và hình học của từng hạt mài khiến việc điều khiển quá trình trở nên phức tạp, đòi hỏi phải có sự mô hình hóa quá trình mài để dự đoán và tối ưu.

1.2. Vai trò của mài tinh trong gia công cơ khí chính xác

Mài tinh chính xác cao là nguyên công không thể thay thế khi gia công lần cuối các chi tiết yêu cầu dung sai nhỏ và độ nhám bề mặt thấp (Ra 0,2-3,2 μm). Các chi tiết như khuôn dập, lá van máy nén, phanh đĩa... làm từ các loại thép dụng cụ như 90CrSi sau khi tôi cứng đều phải trải qua công đoạn này. Mài tinh không chỉ quyết định độ chính xác hình học mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng làm việc và tuổi thọ của sản phẩm. Một bề mặt được mài tinh tốt sẽ có khả năng chống mài mòn, chịu mỏi và làm việc ổn định hơn. Do đó, việc nâng cao hiệu quả của quá trình mài tinh có ý nghĩa thực tiễn to lớn, giúp doanh nghiệp cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng năng lực cạnh tranh trên thị trường.

II. Thách thức chính khi tối ưu quá trình mài phẳng hiện nay

Việc tối ưu quá trình mài phẳng đối mặt với nhiều thách thức phức tạp, đòi hỏi sự cân bằng giữa các yếu tố kinh tế và kỹ thuật. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự ảnh hưởng qua lại giữa các thông số công nghệ mài. Việc thay đổi một thông số, ví dụ như ảnh hưởng của vận tốc cắt, có thể cải thiện năng suất mài nhưng lại làm tăng nhiệt cắt trong gia công, dẫn đến nguy cơ cháy bề mặt và giảm chất lượng bề mặt gia công. Ngược lại, ảnh hưởng của chiều sâu cắt nhỏ có thể cải thiện độ nhám bề mặt nhưng lại làm giảm năng suất. Thêm vào đó, chi phí vận hành, bao gồm chi phí đá mài và thời gian máy, là một bài toán kinh tế nan giải. Thực tế tại nhiều cơ sở sản xuất ở Việt Nam cho thấy thói quen sử dụng đá mài đến khi mòn kiệt. Điều này tưởng như tiết kiệm nhưng thực chất làm giảm vận tốc cắt, kéo dài thời gian gia công và tăng chi phí tổng thể. Luận án của Lưu Anh Tùng đã chỉ ra rằng, việc không xác định được đường kính thay đá tối ưu là một trong những nguyên nhân chính làm giảm hiệu quả kinh tế. Các hiện tượng vật lý như mòn đá, tắc phoi, rung động... cũng góp phần làm cho việc điều khiển quá trình mài trở nên khó khăn hơn, đòi hỏi phải có các phương pháp mô phỏng thực nghiệm và phân tích dữ liệu khoa học.

2.1. Tác động của nhiệt và lực cắt đến chất lượng bề mặt

Nhiệt cắt trong gia công và lực cắt khi mài là hai yếu tố vật lý cốt lõi ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm. Nhiệt độ cao tại vùng cắt có thể gây ra các khuyết tật như nứt tế vi, biến mềm lớp bề mặt, hoặc cháy bề mặt, làm thay đổi cơ tính của vật liệu phôi. Trong khi đó, lực cắt, đặc biệt là lực pháp tuyến, có thể gây ra biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, ảnh hưởng đến độ chính xác hình học và gây ra sai số về độ phẳng. Việc kiểm soát đồng thời cả hai yếu tố này là một thách thức lớn. Sử dụng dung dịch trơn nguội không hợp lý hoặc chế độ cắt khi mài quá khắc nghiệt sẽ làm trầm trọng thêm vấn đề này.

2.2. Mối quan hệ phức tạp giữa các thông số công nghệ mài

Các thông số công nghệ mài có mối quan hệ tương tác phức tạp. Chế độ sửa đá (chiều sâu, lượng chạy dao) sẽ quyết định cấu trúc bề mặt của đá mài, từ đó ảnh hưởng đến khả năng cắt gọt, lực cắt và độ nhám bề mặt cuối cùng. Tương tự, chế độ cắt khi mài (vận tốc bàn, chiều sâu cắt) phải được lựa chọn phù hợp với loại đá, vật liệu gia công và chế độ bôi trơn làm mát. Tối ưu hóa đơn lẻ từng thông số thường không mang lại hiệu quả cao. Thay vào đó, cần áp dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm như phương pháp Taguchi hay phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) để khảo sát đồng thời nhiều yếu tố, tìm ra bộ thông số tối ưu cho nhiều mục tiêu cùng lúc.

III. Phương pháp tối ưu chế độ cắt và dung dịch trơn nguội

Để giải quyết các thách thức về chất lượng và hiệu suất, việc lựa chọn chế độ cắt và bôi trơn làm mát hợp lý là giải pháp hàng đầu. Luận án đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định bộ thông số tối ưu này khi mài tinh thép 90CrSi bằng đá mài Hải Dương. Nghiên cứu sử dụng thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi với ma trận trực giao L16, cho phép khảo sát ảnh hưởng của nhiều yếu tố với số lần thí nghiệm ít nhất. Các thông số đầu vào bao gồm nồng độ và lưu lượng dung dịch trơn nguội, lượng chạy dao ngang, vận tốc bàn và chiều sâu cắt. Các chỉ tiêu đánh giá là độ nhám bề mặt (Ra) và lực cắt khi mài (lực pháp tuyến Fy). Kết quả phân tích ANOVA cho thấy, với mục tiêu đạt độ nhám bề mặt nhỏ nhất, nồng độ dung dịch và vận tốc bàn là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất. Trong khi đó, để giảm lực cắt, chiều sâu cắt và lượng chạy dao ngang lại đóng vai trò quyết định. Bằng cách sử dụng phân tích quan hệ mờ (Grey Relational Analysis), nghiên cứu đã xác định được bộ thông số tối ưu đa mục tiêu, giúp giảm đồng thời cả độ nhám và lực cắt, từ đó cải thiện toàn diện chất lượng bề mặt gia công.

3.1. Xác định chế độ cắt khi mài cho thép 90CrSi

Nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra ảnh hưởng của vận tốc cắt và ảnh hưởng của chiều sâu cắt rất rõ rệt. Đối với vật liệu thép 90CrSi sau tôi, để đạt được độ nhám bề mặt Ra nhỏ nhất, cần lựa chọn vận tốc bàn (VB) ở mức cao (20 m/ph) và chiều sâu cắt (fd) ở mức thấp (0,002 mm/HT). Tuy nhiên, để tối ưu hóa đồng thời nhiều mục tiêu, kết quả cho thấy bộ thông số hợp lý bao gồm: vận tốc bàn 14 m/ph, chiều sâu cắt 0,002 mm/HT, và lượng chạy dao ngang 6 mm/HT. Bộ thông số này là sự cân bằng giữa việc đạt được bề mặt chất lượng cao và duy trì lực cắt ở mức chấp nhận được, tránh gây biến dạng chi tiết.

3.2. Lựa chọn dung dịch trơn nguội để giảm lực cắt khi mài

Dung dịch trơn nguội có vai trò kép: làm mát để giảm nhiệt cắt trong gia công và bôi trơn để giảm ma sát, từ đó giảm lực cắt khi mài. Thí nghiệm cho thấy nồng độ dung dịch (ND) có ảnh hưởng mạnh nhất đến độ nhám Ra, chiếm tới 57,75% mức độ ảnh hưởng. Nồng độ cao (7%) giúp cải thiện chất lượng bôi trơn, làm giảm ma sát và tạo ra bề mặt mịn hơn. Lưu lượng dung dịch (LL) cũng có ảnh hưởng đáng kể. Để tối ưu hóa đa mục tiêu, bộ thông số được đề xuất là nồng độ 7% và lưu lượng 22 lít/phút. Sự kết hợp này không chỉ giúp giảm lực cắt mà còn đảm bảo quá trình thoát phoi hiệu quả và làm sạch bề mặt đá mài.

IV. Hướng dẫn tối ưu chế độ sửa đá để nâng cao chất lượng

Chế độ sửa đá mài có ảnh hưởng sâu sắc đến cấu trúc hình học bề mặt đá (topography), qua đó quyết định trực tiếp đến hiệu suất của toàn bộ quá trình mài. Một chế độ sửa đá hợp lý sẽ tạo ra các lưỡi cắt sắc bén, không gian chứa phoi tối ưu, giúp giảm lực cắt khi mài và cải thiện chất lượng bề mặt gia công. Nghiên cứu của Lưu Anh Tùng đã đi sâu vào việc tối ưu hóa chế độ sửa đá ba bước (thô, tinh, và chạy không ăn dao) cho mài tinh chính xác cao. Bằng cách áp dụng phương pháp Taguchi và phân tích ANOVA, nghiên cứu đã đánh giá ảnh hưởng của các thông số sửa đá như chiều sâu sửa thô (aedr), số lần sửa thô (nr), chiều sâu sửa tinh (aedf), số lần sửa tinh (nf), số lần chạy không (nnon) và lượng chạy dao dọc khi sửa (S). Các mục tiêu tối ưu bao gồm: độ nhám bề mặt (Ra), dung sai độ phẳng (Fl), năng suất mài (MRR) và tuổi bền đá mài (Tw). Kết quả cho thấy các thông số sửa đá có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến từng chỉ tiêu, đòi hỏi một bài toán tối ưu đa mục tiêu phức tạp để tìm ra giải pháp toàn diện nhất.

4.1. Tối ưu đa mục tiêu cho độ nhám bề mặt và năng suất

Kết quả phân tích chỉ ra rằng, để đạt được đồng thời bốn mục tiêu (Ra nhỏ nhất, Fl nhỏ nhất, MRR lớn nhất và Tw lớn nhất), không thể chỉ dựa vào một bộ thông số duy nhất cho tất cả. Thông qua phân tích quan hệ mờ, nghiên cứu đã xác định được bộ thông số sửa đá tối ưu cho cả bốn mục tiêu. Bộ thông số này bao gồm: aedr = 0,025 mm, nr = 3 lần, aedf = 0,01 mm, nf = 2 lần, nnon = 3 lần, và S = 1,6 m/phút. Khi áp dụng bộ thông số này, kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trên cả bốn chỉ tiêu so với các bộ thông số ban đầu, chứng minh hiệu quả của phương pháp mô hình hóa quá trình mài và tối ưu hóa đa mục tiêu.

4.2. Phân tích ảnh hưởng của thông số sửa đá bằng ANOVA

Phân tích ANOVA đã lượng hóa mức độ ảnh hưởng của từng thông số sửa đá. Đối với độ nhám bề mặt Ra, chiều sâu sửa đá thô (aedr) và số lần chạy không ăn dao (nnon) có ảnh hưởng lớn nhất. Đối với tuổi bền đá mài (Tw), số lần sửa thô (nr) lại là yếu tố quyết định. Lượng chạy dao dọc khi sửa (S) hầu như không ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kỹ thuật nhưng có thể được đưa vào phân tích lỗi để tăng độ tin cậy của mô hình. Những phân tích này cung cấp cái nhìn sâu sắc, giúp kỹ sư vận hành có thể điều chỉnh các thông số một cách khoa học để đạt được mục tiêu mong muốn, thay vì chỉ dựa vào kinh nghiệm.

V. Cách xác định đường kính thay đá tối ưu để giảm chi phí

Chi phí trong quá trình mài là một yếu tố tổng hợp, bao gồm chi phí máy, nhân công, và chi phí vật tư tiêu hao, trong đó quan trọng nhất là chi phí đá mài. Một trong những đóng góp mới và có ý nghĩa thực tiễn cao của luận án là việc xây dựng mô hình tính toán để xác định đường kính thay đá tối ưu (De,op). Mô hình này chỉ ra rằng, việc sử dụng đá mài đến khi quá mòn sẽ làm giảm vận tốc cắt, dẫn đến giảm năng suất mài và tăng thời gian gia công, từ đó làm tăng tổng chi phí trên mỗi chi tiết. Ngược lại, thay đá quá sớm sẽ gây lãng phí vật tư. Do đó, tồn tại một đường kính thay đá tối ưu mà tại đó, tổng chi phí gia công một chi tiết là thấp nhất. Luận án đã xây dựng hàm mục tiêu chi phí và tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các thông số như đường kính ban đầu của đá, độ cứng phôi, tuổi bền đá, giá thành đá và chi phí giờ máy đến đường kính thay đá tối ưu. Mô hình này sau đó đã được kiểm chứng bằng mô phỏng thực nghiệm, cho thấy sự phù hợp cao và khả năng ứng dụng vào sản xuất thực tế.

5.1. Xây dựng mô hình hóa quá trình mài để tính chi phí

Mô hình chi phí được xây dựng dựa trên việc phân tích các thành phần thời gian và chi phí trong một chu trình mài, bao gồm thời gian cắt gọt, thời gian sửa đá, thời gian thay đá, và các chi phí liên quan. Mô hình toán học cho phép tính toán chi phí gia công một chi tiết (Cp,t) như một hàm số của đường kính đá khi thay (De). Bằng cách khảo sát sự biến thiên của hàm chi phí này, điểm cực tiểu của nó chính là chi phí thấp nhất, tương ứng với đường kính thay đá tối ưu (De,op). Mô hình hóa quá trình mài này là công cụ mạnh mẽ giúp các nhà quản lý sản xuất đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu thay vì cảm tính.

5.2. Kiểm chứng mô phỏng thực nghiệm và ứng dụng thực tiễn

Để kiểm chứng mô hình lý thuyết, luận án đã tiến hành các thí nghiệm thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc áp dụng đường kính thay đá tối ưu đã giúp giảm chi phí mài mỗi chi tiết một cách đáng kể. Cụ thể, khi kết hợp cả ba giải pháp: đường kính thay đá tối ưu, chế độ trơn nguội tối ưu và chế độ sửa đá tối ưu, hiệu quả kinh tế tăng lên rõ rệt. Chi phí mài giảm, trong khi năng suất mài và chất lượng bề mặt gia công đều được cải thiện. Điều này chứng tỏ tiềm năng ứng dụng rất lớn của kết quả nghiên cứu vào thực tiễn gia công cơ khí chính xác tại Việt Nam.

VI. Tương lai của mài tinh chính xác cao và các hướng đi mới

Quá trình mài phẳng, đặc biệt là mài tinh chính xác cao, vẫn đang tiếp tục phát triển để đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe của ngành công nghiệp hiện đại. Các kết quả từ luận án nghiên cứu này đã mở ra nhiều hướng đi mới, không chỉ dừng lại ở việc tối ưu hóa các thông số truyền thống. Tương lai của lĩnh vực này nằm ở việc tích hợp các công nghệ thông minh và các phương pháp tối ưu hóa tiên tiến hơn. Việc áp dụng các thuật toán tối ưu hóa phức tạp như thuật toán di truyền (GA) hay mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để xây dựng các mô hình dự báo chính xác hơn về độ nhám bề mặt, lực cắt khi mài và tuổi bền đá mài là một hướng đi đầy hứa hẹn. Những mô hình này có thể học hỏi từ dữ liệu thực nghiệm để tự động điều chỉnh thông số công nghệ mài theo thời gian thực, tạo ra một hệ thống mài thông minh và tự thích ứng. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các loại vật liệu đá mài mới, các loại dung dịch trơn nguội thân thiện với môi trường và các phương pháp sửa đá tiên tiến (ví dụ như sửa đá bằng laser) cũng sẽ là những yếu tố thúc đẩy hiệu quả của quá trình mài lên một tầm cao mới.

6.1. Tiềm năng ứng dụng thuật toán di truyền GA và ANN

Thuật toán di truyền (GA) và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) là những công cụ mạnh mẽ trong lĩnh vực tối ưu hóa và mô hình hóa. GA có thể giải quyết các bài toán tối ưu đa mục tiêu phức tạp, tìm ra lời giải toàn cục mà các phương pháp truyền thống có thể bỏ lỡ. ANN có khả năng mô hình hóa các mối quan hệ phi tuyến tính, phức tạp giữa các thông số đầu vào (như chế độ cắt khi mài, chế độ sửa đá) và các kết quả đầu ra. Việc kết hợp các công cụ này vào nghiên cứu mài phẳng sẽ giúp xây dựng các hệ thống hỗ trợ quyết định thông minh, giúp lựa chọn bộ thông số tối ưu một cách nhanh chóng và chính xác.

6.2. Xu hướng phát triển công nghệ mài phẳng trong tương lai

Trong tương lai, công nghệ mài phẳng sẽ hướng tới việc tự động hóa và thông minh hóa. Các hệ thống giám sát quá trình mài bằng cảm biến (lực, rung động, âm thanh) sẽ trở nên phổ biến, cung cấp dữ liệu thời gian thực cho các mô hình điều khiển. Sự phát triển của vật liệu siêu cứng như CBN và kim cương tổng hợp sẽ cho phép mài với tốc độ cao hơn, tăng năng suất mài một cách đột phá. Đồng thời, xu hướng sản xuất xanh sẽ thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp bôi trơn làm mát tối thiểu (MQL) hoặc mài khô, nhằm giảm thiểu tác động đến môi trường. Những hướng đi này hứa hẹn sẽ tiếp tục nâng cao hiệu quả và vai trò của mài phẳng trong ngành gia công cơ khí chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu, 04 chương và kết luận chung. Tổng quan về mài phẳng Chương 2. Cơ sở lý thuyết về mài phẳng và phương pháp xây dựng mô hình thí nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ bôi trơn làm mát, chế độ cắt và chế độ sửa đá hợp lý.

Nghiên cứu xác định đường kính thay đá tối ưu. Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo. 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 2040m/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 10001500C. 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 2m, 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. 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 1o2o 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. 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] 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 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.