Luận văn Nghiên cứu chất ượng bề mặt gia công khi mài thép SUJ2 bằng đá mài CBN trên máy mài phẳng

uả thực nghiệm ghi lại trên (hình 2.2) cho thấy: độ mòn của của hạt mài CBN ở vòng quay thứ 1260 gần bằng độ mòn của kim cương ở vòng quay thứ 150 và của Al203 ở vòng quay thứ 20. Như vậy tính chống mài mòn của CBN khi mài thép cao hơn 8 lần so với kim cương và 63 lần so với Al203 [10]. 2.1.3. Tính dẫn nhiệt Một nhược điểm cơ bản khi mài bằng đá mài thông thường là ảnh hưởng của nhiệt cắt tới chất lượng lớp bề mặt lớn và tạo ra ứng suất dư kéo làm giảm độ bền mỏi của chi tiết máy. Đá mài CBN có tính dẫn nhiệt tốt, tính chất này cho phép nhiệt tỏa ra nhanh, nhất là khi mài các vật liệu cứng, vật liệu dai và ở tốc độ loại bỏ kim loại cao [4]. Bảng 2.1. Một vài số liệu về hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN và Al203 [20]. Vật liệu hạt mài Tài liệu trích dẫn Hệ số dẫn nhiệt ( W/mK ) Al203 Takazawa Ramachandran et al. Inasaki et al. Shaw To ¨nshoff et al. Rowe et al. Lavine et al. Phanindrananth and Babu Ramesh Universal Grinding Wheel Company 1.55 6.3 15 16.7 27 35 46 3.1 5.3 CBN De Vries Lavine and Jen Gardinier Rowe et al. Rowe et al. Kumar Hiroshi and Kishi Shaw and Ramanath Bailey Verniekes 87 - 1300 1300 1300 1300 240 1300 1300 87 200 -700 200 - 700 - 33 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 2.2. Hệ số dẫn nhiệt lý thuyết và thực nghiệm của đá CBN và Al203 [20]. Phương pháp xác định Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) Al203 CBN Lý thuyết 1.5 ÷ 46 1300 Thực nghiệm 35 240 Hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN lớn hơn rất nhiều so với đá mài thường (bảng 2.1 và 2.2). Kết quả nghiên cứu của một số tác giả về độ dẫn nhiệt của đá mài CBN cũng như của các loại đá mài khác có sự khác nhau nhiều là do: - Phương pháp nghiên cứu khác nhau (lý thuyết hay thực nghiệm). - Việc đo nhiệt độ trong quá trình mài rất phức tạp nên kém chính xác. - Độ tinh khiết của vật liệu hạt mài khác nhau. Bảng 2.3. Nhiệt độ khi mài khô bằng đá mài Al203 và CBN [21]. Chiều sâu mài (mm) Nhiệt độ mài ( oC ) Malkin Kato/Takazawa Chen Đo/hiệu chỉnh Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN 0,0127 566.66 113.34 535.25 127.65 526.64 127.56 514.62 142.08 0,0254 654.9 226.76 622.5 240.56 606.15 237.91 606.15 237.91 0,0305 845.29 183.19 792.36 196.14 777.71 195.52 683.86 219.74 0,0381 1,004.81 263.22 927.09 278.12 921.4 273.38 777.12 272.60 Bảng 2.4. Nhiệt độ khi mài ướt bằng đá mài Al203 và CBN [21]. Chiều sâu mài (mm) Nhiệt độ mài ( oC ) Malkin Kato/Takazawa Chen Đo/hiệu chỉnh Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN 0,0127 254.83 113.34 249.66 127.65 245.65 127.56 327.67 101.07 0,0254 444.16 197.08 427.48 211.37 416.26 209.03 416.26 209.03 0,0305 418.52 208.21 400.55 220.55 393.15 219.86 498.82 229.70 0,0381 682.09 240.23 651.62 255.37 630.65 251.01 630.65 261.86 - 34 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Một số tác giả đã tiến hành thí nghiệm và so sánh nhiệt độ khi mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá mài thường và đá mài CBN dưới các điều kiện mài khác nhau, kết quả nhận được ở (bảng 2.3 và 2.4). Từ các số liệu trên ta có nhận xét: do hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN lớn nên nhiệt độ khi mài bằng đá mài CBN thấp hơn nhiều so với mài bằng đá mài thông thường (nhiệt độ khi mài khô bằng đá CBN thấp hơn cả khi mài ướt bằng đá Al203) điều đó làm giảm đáng kể hư hỏng bề mặt gia công do nhiệt. Cũng do có nhiệt độ mài thấp nên đá mài CBN còn được ứng dụng nhiều để mài khô. 2.1.4. Độ bền nén Độ bền nén của vật liệu là ứng suất cực đại mà khi nén vật liệu có thể chịu được trước khi bị phá hủy. Độ bền nén cao của các tinh thể CBN làm cho các hạt mài CBN chịu được các lực lớn phát sinh trong quá trình cắt và các va đập xảy ra do cắt gọt gián đoạn. Đặc tính này làm tăng tuổi bền và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của đá mài CBN. 2.1.5. Lực cắt Với đá mài CBN, sau khi hiệu chỉnh và sửa đá, lực cắt ban đầu rất lớn nhưng sau đó giảm liên tục đến giá trị ổn định (hình 2.3). Hình 2.3. Lực cắt khi mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá CBN [15]. - 35 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Quan sát ảnh SEM bề mặt đá cho thấy nguyên nhân là do sau khi sửa đá các hạt mài nhô ra ít gây ra lực cắt cao, trong quá trình mài chất dính kết bị mòn làm cho các hạt mài nhô ra nhiều hơn nên lực cắt giảm. Qiang Liu và một số tác giả đã nghiên cứu lực cắt khi mài bằng các loại đá khác nhau, kết quả: - Khi mài tinh (với chiều sâu cắt t = 0,05 mm) đá mài CBN cho lực cắt nhỏ hơn các loại đá mài khác còn khi mài thô (với chiều sâu cắt t = 2 mm) thì ngược lại (hình 2.4) [13]. Như vậy, đá mài CBN chỉ phát huy hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài tinh. - Khi mài bằng đá mài CBN, thành phần lực cắt pháp tuyến nhỏ hơn khi mài bằng đá mài thông thường do đó tốc độ bóc tách vật liệu cao hơn [15]. Hình 2.4. Lực cắt khi mài bằng các loại đá khác nhau [13]. Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của vận tốc đá đến lực cắt khi mài thép AISI 52100 bằng đá mài CBN cho thấy: khi tăng vận tốc đá thì lực cắt pháp tuyến tăng nhẹ nhưng lực cắt tiếp tuyến lại giảm do đó hệ số lực cắt giảm làm giảm hiệu quả bóc tách vật liệu (hình 2.5) [12]. Nhà sản xuất cũng khuyên sử dụng tốc độ hiệu quả của đá mài CBN từ 1750 ÷ 1850 m/phút khi mài ướt và từ 900 ÷ 120 m/phút khi mài khô [10]. - 36 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.5. Ảnh hưởng của vận tốc đá đến lực cắt khi mài bằng đá CBN [12]. 2.1.6. Rung động Rung động khi mài làm hạn chế năng suất, gây ra sai số gia công và tác động xấu đến chất lượng bề mặt. Rung động khi mài gồm hai loại là rung động cưỡng bức và tự rung. Rung động cưỡng bức gây ra do đá mài mất cân bằng, các bộ phận của hệ thống công nghệ quay nhanh nhưng không cân bằng như: trục chính, rô to của động cơ…Tự rung thường phức tạp hơn nhiều so với rung động cưỡng bức. Nguyên nhân chính gây ra rung động tự rung là sự biến đổi của lực cắt do hiện tượng không ổn định của quá trình cắt (biến dạng đàn hồi cục bộ của đá và phôi, mòn đá không đều, hiện tượng tự mài sắc của đá mài, dao động xoắn của chi tiết gia công..). Trong quá trình mài bằng đá mài thông thường thì rung động chủ yếu là tự rung [1], [14]. Đá mài CBN không có khả năng tự mài sắc, tốc độ mòn chậm hơn nhiều so với đá mài thông thường, do đó lực cắt ổn định và tự rung nhỏ hơn so với đá mài thông thường [15]. - 37 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.2. Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của các yếu tố đến chất lƣợng bề mặt gia công khi mài bằng đá mài CBN 2.2.1. Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt mài Độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố khi mài như: - Các thông số kỹ thuật của đá mài. - Tính chất của vật liệu gia công. - Chế độ cắt. - Loại dung dịch trơn nguội và công nghệ tưới nguội.` - Chế độ sửa đá. 2.2.1.1. Ảnh hƣởng của loại dung dịch trơn nguội và công nghệ tƣới nguội Các tác giả Webster và Ciu [19] đã tiến hành thí nghiệm với: - Hai loại đá mài: Al203 và CBN. - Hai loại đầu phun: đầu phun thông thường và đầu phun Webster do Webster thiết kế có các đường kính lỗ là 3mm, 4mm, 5mm (áp suất tưới của đầu phun Webster cao hơn đầu phun thường). - Hai loại dung dịch trơn nguội: nhũ tương tổng hợp nồng độ 5% và dầu nguyên chất. Kết quả đo độ nhám bề mặt mài được biểu diễn trên (hình 2.6). Từ các đồ thị (hình 2.6) có thể nhận xét như sau: - Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN thấp hơn so với khi mài bằng đá mài thông thường. - Nhám bề mặt khi sử dụng đầu phun Webster nhận đươc thấp hơn, điều này chủ yếu là do khả năng cung cấp dung dịch trơn nguội vào vùng tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công hiệu quả hơn. - Dầu nguyên chất cho nhám bề mặt thấp hơn do khả năng bôi trơn tốt hơn so với nhũ tương tổng hợp. - Khi mài bằng đá mài CBN với 2 phương pháp tưới nguội thì nhận được độ nhám bề mặt gần như nhau, đó là do đá mài CBN có khả năng duy trì các cạnh sắc trong suốt quá trình gia công mà không đòi hỏi phải sửa đá liên tục. - 38 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.6. Ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội và công nghệ tưới nguội đến độ nhám bề mặt mài [19]. Để rõ hơn ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội tới độ nhám bề mặt gia công E.J da Silva và các đồng nghiệp đã tiến hành thí nghiệm mài bằng đá mài CBN với 4 loại dung dịch trơn nguội là: nước, dung dịch bán tổng hợp 3%, dung dịch bán tổng hợp 20% và dầu nguyên chất. Kết quả (hình 2.7) cho thấy [22]: - Loại dung dịch có khả năng bôi trơn tốt hơn thì cho độ nhám thấp hơn. - Khả năng bôi trơn của nước kém làm tăng ma sát giữa chất dính kết và phoi, do đó giá trị nhám tăng. Cụ thể là khi tăng lượng bóc tách vật liệu thì độ nhám bề mặt tăng từ 0,26µm lên 0,57µm. - Sử dụng dầu nguyên chất cho độ nhám nhỏ nhất (độ nhám nhỏ hơn 0,33µm). - Dung dịch bán tổng hợp 20% cho độ nhám nhỏ hơn dung dịch bán tổng hợp 3%. Như vậy loại dung dịch trơn nguội và công nghệ tưới nguội là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng bóc tách vật liệu, chất lượng bề mặt gia công và tuổi thọ của đá mài. - 39 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.7. Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với các loại dung dịch trơn nguội khác nhau [22]. 2.2.1.2. Ảnh hƣởng của vận tốc đá mài Hình 2.8. Ảnh SEM trạng thái bề mặt khi mài bằng đá mài CBN với vận tốc đá khác nhau [12]. Kết quả thí nghiệm mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá mài CBN với tốc độ trong khoảng từ 60 ÷ 300 (m/s) cho thấy: khi vận tốc vòng của đá tăng thì Ra, Rz giảm; khi vận tốc đá lớn hơn 200 m/s thì độ nhám bề mặt giảm 20 ÷ 30% so với vận tốc đá 60 (m/s) (hình 2.8 và 2.9) [12]. - 40 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.9. Ảnh hưởng của vận tốc đá đến độ nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN [12]. Sở dĩ khi tăng vận tốc đá thì độ nhám bề mặt gia công giảm là vì tăng vận tốc đá sẽ làm tăng sự “xếp chồng” đường cắt của các hạt mài làm cho chiều sâu cắt az của các hạt mài giảm [1]. 2.2.1.3. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao Hình 2.10. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN [24]. - 41 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các tác giả D.J.Stephenson, D.Veselovac, S.Manley, J.Corbett đã nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt mài khi mài bằng đá mài CBN [24], kết quả cho thấy: khi lượng chạy dao tăng thì độ nhám bề mặt mài tăng (hình 2.10). Điều đó có thể giải thích: tăng lượng chạy dao làm tăng chiều sâu cắt az của các hạt mài, do đó làm độ nhám bề mặt mài tăng. 2.2.1.4. Ảnh hƣởng của độ hạt đá mài Ở các điều kiện mài như nhau, nếu cấp độ hạt của đá mài càng lớn (kích thước hạt càng nhỏ) thì cho độ nhám bề mặt mài, năng suất cắt gọt và tuổi bền của đá càng nhỏ vì vậy cần chọn cấp độ hạt nhỏ nhất đạt được độ bóng bề mặt gia công yêu cầu để có năng suất cắt gọt và tuổi bền của đá cao hơn. Hình 2.11. Ảnh hưởng của độ hạt đá mài CBN đến độ nhám bề mặt mài [17]. Vì độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố như: chế độ cắt, công nghệ trơn nguội, độ hạt của đá mài...nên việc chọn cấp độ hạt hợp lý cần căn cứ vào điều kiện mài cụ thể. - 42 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.2.2. Ảnh hƣởng đến cấu trúc lớp bề mặt mài Nguyên nhân chính dẫn tới sự thay đổi cấu trúc lớp bề mặt và cháy bề mặt mài là nhiệt độ mài truyền vào chi tiết gia công. Nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: chế độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu hạt mài, công nghệ trơn nguội ...và một số tác giả đã nghiên cứu về vấn đề này với đá mài CBN. Hình 2.12. Ảnh hưởng của lưu lượng tưới nguội tới nhiệt độ mài khi mài bằng đá CBN [18]. Kết quả nghiên cứu của Malkin và một số tác giả [21] đã chỉ ra rằng: do đá mài CBN có hệ số dẫn nhiệt cao nên nhiệt độ mài thấp hơn rất nhiều so với đá mài thông thường (bảng 2.3 và 2.4). Một phần nhiệt độ mài truyền vào chi tiết gia công, lượng nhiệt truyền vào chi tiết gia công được đánh giá qua hệ số phân chia năng lượng Rw. Đã có nhiều nghiên cứu để xác định hệ số Rw khi mài bằng đá mài thường và đá mài CBN, mặc dù kết quả khác nhau nhưng đều cho thấy Rw khi mài bằng đá mài CBN nhỏ hơn nhiều so với mài bằng đá mài thường (bảng 2.5). - 43 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 2.5. Giá trị của Rw khi mài bằng đá mài CBN và Al203 [21]. Rw với ro = 0.005 mm Rw với ro = 0.015 mm Al203 CBN Al203 CBN 0.96546 0.406 0.9797 0.5424 0.8687 0.4526 0.9197 0.5888 2.2.3. Ảnh hƣởng đến ứng suất dƣ lớp bề mặt mài Các yếu tố ảnh hưởng tới ứng suất dư bề mặt mài gồm: - Chế độ cắt (chiều sâu cắt, vận tốc đá, vận tốc chi tiết gia công); - Topography của đá mài (chế độ sửa đá, trạng thái mòn); - Đặc điểm của đá mài (loại và kích thước hạt mài, cấu trúc đá, độ cứng đá, loại chất dính kết); - Công nghệ trơn nguội. Hình 2.13. Ứng suất dư với các loại dung dịch trơn nguội khi mài bằng đá CBN và Al203 [23]. - 44 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Khi nghiên cứu ảnh hưởng của loại đá mài và loại dung dịch trơn nguội đến ứng suất dư bề mặt, E.J da Silva và các đồng nghiệp [23] đã tiến hành thí nghiệm với hai loại đá mài (Al203 và CBN) và bốn loại dung dịch trơn nguội, kết quả (hình 2.13): - Trong chu kỳ mài đầu tiên, tất cả các loại dung dịch trơn nguội với hai loại đá mài đều cho ứng suất dư nén (trừ dầu tổng hợp khi mài bằng đá Al203). Riêng với đá mài Al203, khi lượng bóc tách vật liệu tăng thì ứng suất dư thay đổi thành ứng suất dư kéo, nguyên nhân là do khả năng dẫn nhiệt kém của Al203 làm tăng ma sát và mất đi các cạnh sắc của đá mài. - Khi mài bằng đá mài Al203 với dung dịch trơn nguội là dầu thì ứng suất dư bề mặt là ứng suất dư nén, nguyên nhân là do dầu có khả năng bôi trơn tốt làm giảm nhiệt độ mài và hư hại do nhiệt. - Với đá mài CBN: do khả năng duy trì độ sắc và tính chất nhiệt tốt nên ứng suất dư nén hình thành trong tất cả các chu kỳ mài và không phụ thuộc vào loại dung dịch trơn nguội, lượng vật liệu bóc tách và vật liệu chi tiết gia công. Hình 2.14. Ảnh hưởng của vận tốc đá đến ứng suất dư khi mài bằng đá CBN [11]. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ đá mài đến ứng suất dư bề mặt, Brahim Ben Fathallah và các tác giả [11] đã thí nghiệm mài thép AISI D2 bằng đá mài - 45 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CBN, kết quả: ở vận tốc đá nhỏ hơn 180 m/s thì ứng suất dư là ứng suất nén; khi vận tốc đá lớn hơn 180 m/s thì ứng suất dư chuyển thành ứng suất kéo mà nguyên nhân là do dung dịch trơn nguội khó vào trong vùng mài (hình 2.14). 2.3. Kết luận Chƣơng 2 1. Chất lượng bề mặt gia công khi mài bằng đá CBN chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Một số kết quả nghiên cứu về vấn đề này cho ta định hướng để nâng cao chất lượng bề mặt gia công và là cơ sở để nhận định: một vài thông số của lớp bề mặt mài bằng đá CBN tốt hơn so với mài bằng đá mài thường. 2. Các nghiên cứu về chất lượng bề mặt mài bằng đá CBN đều sử dụng phương pháp thực nghiệm vì vậy kết quả chỉ phù hợp với các điều kiện công nghệ cụ thể nhưng lại dễ dàng áp dụng vào sản xuất. 3. Các nghiên cứu cho thấy đá mài CBN có nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn đá mài thông thường, tuy nhiên trong một số trường hợp lại sử dụng không hiệu quả bằng đá mài thông thường (mài thô, mài với tốc độ cắt cao...). Hiện nay, những nghiên cứu về quá trình mài bằng đá mài CBN chưa nhiều, riêng ở Việt Nam thì chưa có công trình nào được công bố. Để sử dụng đá mài CBN hiệu quả tương xứng với tính ưu việt của nó cần có nhiều hơn nữa những nghiên cứu về vấn đề này. 4. Công nghệ mài được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo vòng bi. Những nghiên cứu về mài thép ổ lăn SUJ2 bằng đá mài CBN vì vậy sẽ có nhiều ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn. 2.4. Xác định hƣớng nghiên cứu của luận văn - Phương pháp mài có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại nhờ khả năng vượt trội so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao cho độ chính xác và độ chất lượng bề mặt cao. Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp tiện cứng và phay cứng bằng mảnh dao CBN để gia công tinh các vật liệu khó gia công đã qua tôi. Tuy nhiên, xét về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, khi gia công những chi tiết yêu cầu độ chính xác và chất lượng bề mặt rất cao thì chưa có phương pháp nào thay thế được cho phương pháp mài. Các loại vật liệu hạt mài thông thường gồm oxide nhôm, silicon carbide, carbide boron… Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá mài sử dụng những - 46 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên loại vật liệu hạt mài này bị hạn chế (đặc biệt khi mài những vật liệu khó gia công) do sau một thời gian làm việc đá mòn và phải sửa lại đá. Việc phát minh ra loại vật liệu hạt mài siêu cứng là cubic boron nitride (CBN) đã góp phần cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của phương pháp mài. Vật liệu CBN có độ cứng cao gần gấp đôi oxide nhôm và khả năng chịu nhiệt đến 1371oC. Do độ cứng cực cao, đá mài làm bằng CBN có khả năng duy trì dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lượng bề mặt gia công cao và ổn định. Ngoài ra, đá mài CBN còn có khả năng lấy đi lượng dư đều đặn trên bề mặt của chi tiết gia công mà không cần bù độ mòn của đá mài. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công khi mài. Do mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối nên chất lượng bề mặt mài ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của chi tiết máy. Thép SUJ2 là mác thép phổ biến nhất của nhóm thép ổ lăn chuyên dùng thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy có độ chính xác cao như vòng bi, trục chính máy công cụ, trục vít me bi, con lăn, đĩa ma sát …Kết quả nghiên cứu với mác thép SUJ2 cho phép áp dụng trực tiếp để mài mác thép SUJ1 cũng như tham khảo khi mài các mác thép ổ lăn khác. Hiện nay, ở Việt Nam đá mài CBN chưa được sử dụng nhiều trong các nhà máy cơ khí cũng như chưa có công trình nghiên cứu nào về mài bằng đá mài CBN được công bố. Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên, tác giả chọn đề tài: “ Nghiên cứu chất lượng bề mặt gia công khi mài thép SUJ2 bằng đá mài CBN trên máy mài phẳng ” - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một vài thông số đặc trưng cho chất lượng bề mặt gia công khi mài thép SUJ2 bằng đá mài CBN trên máy mài phẳng. - Mục đích nghiên cứu là: đánh giá chất lượng bề mặt gia công khi mài thép SUJ2 bằng đá mài CBN trên máy mài phẳng; dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập. - Nội dung nghiên cứu gồm: nghiên cứu tổng quan về chất lượng bề mặt gia công và các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số đặc trưng cho chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp mài; nghiên cứu tổng quan về các đặc tính cắt gọt của đá - 47 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên mài CBN và chất lượng bề mặt mài bằng đá CBN; đánh giá chất lượng bề mặt mài bằng đá CBN và xây dựng mô hình thực nghiệm về quan hệ giữa độ nhám bề mặt gia công với chế độ cắt khi mài bằng đá CBN. - Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. - 48 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG KHI MÀI THÉP SUJ2 BẰNG ĐÁ Al2O3 và CBN 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm - So sánh chất lượng bề mặt gia công của thép SUJ2 khi mài bằng đá mài CBN với khi mài bằng đá mài thường. - Xây dựng mô hình thực nghiệm phản ánh mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt gia công với các thông số của chế độ cắt khi mài thép SUJ2 bằng đá mài CBN. Đây là cơ sở để phân tích, lựa chọn chế độ cắt hợp lý hoặc tối ưu theo chỉ tiêu độ nhám bề mặt gia công. 3.2. Xây dựng quy hoạch thực nghiệm 3.2.1. Chọn loại quy hoạch thực nghiệm và dạng mô hình hồi quy thực nghiệm Thực nghiệm quá trình mài, nghiên cứu chất lượng bề mặt gia công dưới ảnh hưởng của ba thông số chế độ cắt: - Vận tốc cắt: Vđ (m/ph) - Chiều sâu cắt: t (mm) - Lượng chạy dao dọc: Sd (m/ph) Chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt gia công gồm: độ nhám Ra, Rz; cấu trúc lớp bề mặt; ứng suất dư lớp bề mặt. Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm về mài [1], [14] đã cho thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu đánh giá Y (Py, Pz, Ra, Rz...) với chế độ cắt (t, Sd,Vđ, ...) có dạng hàm mũ:  đd VStCY ... (3.1) Các số mũ , ,  và hệ số C của phương trình (3.1) được xác định bằng thực nghiệm. Để nhận được các phương trình dạng (3.1), có thể chọn loại kế hoạch thực nghiệm tựa D tối ưu đối xứng với mô hình hồi quy dạng hàm mũ bậc 2. - 49 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 3.1: Ma trận kế hoạch tựa D tối ưu đối xứng với 3 thông số ảnh hưởng [5]. TTTN Giá trị mã hóa của thông số ảnh hưởng Giá trị thực của thông số ảnh hưởng z1 z2 z3 t (mm) Sd (m/ph) Vđ (m/ph) 1 0 -1 -1 0.005 7 1700 2 0 +1 -1 0.005 20,5 1700 3 0 -1 +1 0.005 7 1905 4 0 +1 +1 0.005 20,5 1905 5 -1 0 -1 0.002 12 1700 6 +1 0 -1 0.012 12 1700 7 -1 0 +1 0.002 12 1905 8 +1 0 +1 0.012 12 1905 9 -1 -1 0 0.002 7 1800 10 +1 -1 0 0.012 7 1800 11 -1 +1 0 0.002 20,5 1800 12 +1 +1 0 0.012 20,5 1800 13 0 0 0 0.005 12 1800 Mô hình hồi quy mô tả sự phụ thuộc của chỉ tiêu Y vào các thông số ảnh hưởng (t, Sd, Vđ) có dạng: lgY = y = ao + a1x1 + a2x2 + a3x3 + a11x1 2 + a22x2 2 + a33x3 2 + + a12x1x2 + a13x1x3 + a23x2x3 (3.2) Trong đó: x1 = lgt; x2 = lgSd; x3 = lgVđ Để thuận tiện cho việc tính toán ta chuyển mô hình về dạng mã hóa của các thông số ảnh hưởng : y = bo + b1z1 + b2z2 + b3z3 + b11z1 2 + b22z2 2 + b33z3 2 + + b12z1z2 + b13z1z3 + b23z2z3 (3.3) - 50 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên với z1, z2, z3 là giá trị mã hóa của các thông số x1, x2, x3 : 64,6 301,0 lg lglg lglg 0 0 1     t tt tt z D (3.4) 611,4 234,0 lg )lg()lg( )lg(lg 0 0 2     d Ddd dd S SS SS z (3.5) 2,130 025,0 lg )lg()lg( )lg(lg 0 0 3     đ Dđđ đđ V VV VV z (3.6) Trong đó: t0 , (Sd)0, (Vđ)0 - mức cơ sở của t, Sd, Vđ ; tD, (Sd)D, (Vđ)D - mức dưới của t, Sd, Vđ. 3.2.2. Xây dựng mô hình hồi quy thực nghiệm Để xây dựng mô hình hồi quy thực nghiệm (3.3) cần tính các hệ số hồi quy theo công thức : u n i N u iu N u u yxkykb     1 1 2 2 1 10 .. (3.7) u N u iui yxkb    1 2 3. (3.8)    N u ujuiuij yxxkb 1 4. (3.9)     N u uu n j N u juu N u iuii ykyxkyxkb 1 2 1 1 2 6 1 2 5 ... (3.10) Trong đó: N - số điểm thí nghiệm : N = 13; n - số thông số ảnh hưởng : n = 3; uy - giá trị trung bình các lần lặp của chỉ tiêu đánh giá tại các điểm thí nghiệm; ki - hằng số bổ trợ, với kế hoạch tựa D tối ưu đối xứng có [5]: - 51 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 2422 422 1 ])1[( )1(   nnN n k    (3.11) 1 422 2 2 )1( k n k     (3.12) 2 3 1  k (3.13) 22 4 1  k (3.14) 224 5 1   k (3.15) 2 2242 22 2 2 6 )( k N k      (3.16) với 2 , 22 , 4 là các hằng số của ma trận thông tin Fisher [5]:    N u iux 1 2 2 (3.17)    N u juiu xx 1 22 22 . (3.18)    N u iux 1 4 4 (3.19) 3.2.3. Kiểm tra mô hình hồi quy thực nghiệm 3.2.3.1. Kiểm tra độ tƣơng thích của mô hình theo chuẩn Fisher Giá trị tính toán của chuẩn Fisher được tính theo công thức: 2 2. e tt S Sm F  (3.20) Bậc tự do của tử số: KN 1 (3.21) Bậc tự do của mẫu số: - 52 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  12  mN (3.22) Số lần lặp ở các điểm thí nghiệm: m = 3; số hệ số hồi quy của mô hình: K = 10. Phương sai tuyển chọn: 2 1 2 )( 1      N u uu yy KN S  (3.23) Trong đó: y  là giá trị đối số  321 ,, xxxfy  tính theo mô hình hồi quy ứng với điểm u . Phương sai do nhiễu:    N u ue S N S 1 22 1 (3.24)       m i uuiu yy m S 1 2 1 1 (3.25) Giá trị tra bảng của chuẩn Fisher  ,, 21 F tra bảng theo 21 , và mức ý nghĩa  = 0,05. So sánh Ftt với  ,, 21 F , nếu Ftt <  ,, 21 F thì mô hình tương thích. 3.2.3.2. Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy 1. Tính các giá trị biên của khoảng tin cậy (cho từng loại hệ số) theo công thức: 2 obo Stb  (3.26) 2 ibi Stb  (3.27) 2 ij bij Stb  (3.28) 2 ii bii Stb  (3.29) Trong đó:  ,t - giá trị tra bảng của chuẩn Student theo bậc tự do )1(  mN và mức ý - 53 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nghĩa 025,0 2 05,0 2  q ; 2 bS - ước lượng phương sai theo các hệ số hồi quy: 2 1 2 eb SkS o  (3.30) 2 3 2 eb SkS i  (3.31) 2 4 2 eb SkS ij  (3.32) 2 7 2 eb SkS ii  (3.33) 7k - hằng số của kế hoạch tựa D tối ưu, 7k = 0.4375 2. So sánh các hệ số với các giá trị biên tương ứng. Các hệ số đủ mức ý nghĩa nếu:            iiii ijij ii o bb bb bb bb0 (3.34) 3. Loại bỏ các hệ số không đủ mức ý nghĩa. Sau khi loại bỏ các hệ số không đủ mức ý nghĩa cần tính lại các hệ số hồi quy có liên hệ phụ thuộc với các hệ số bị loại bỏ: - Khi loại bỏ hệ số 0b thì cần tính lại các hệ số iib theo công thức: nib k k bb iiii ,3,2,1;0 1 2*  (3.35) - Kiểm tra lại mức ý nghĩa của các hệ số mới theo trình tự trên, các ước lượng phương sai bS (công thức (2.30) đến (2.33)) tính với các hằng số bổ trợ mới: 25,0;4125,0,1625,0;0 *5 * 7 * 6 * 2 * 1  kkkkk Khi loại bỏ hệ số ttb cần tính lại hệ số 0b và các hệ số iib còn lại (i # t): ttb k k bb 7 2 0 * 0  (3.36) - 54 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nib k k bb ttiiii ,,2,1; 7 6*  (3.37) Kiểm tra lại mức ý nghĩa của các hệ số mới theo trình tự trên, các ước lượng phương sai bS (công thức (2.30) đến (2.33)) tính với các hằng số bổ trợ mới: 25,0;35714,0;10714,0;02857,0;075,0 *5 * 7 * 6 * 2 * 1  kkkkk 3.2.3.3. Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình Khả năng làm việc của mô hình được kiểm tra theo hệ số đơn định R2 tính theo công thức: 2 1 2 22* 2 )1()( )1()( 1 e N u u e SmNyym SmNSkNm R      (3.38) Trong đó: *k là hệ số mới của phương trình;    N u uy N y 1 1 (3.39) Nếu 75,02 R thì mô hình có khả năng làm việc. Sử dụng chương trình máy tính từ tài liệu tham khảo [1] với sơ đồ khối ở (hình 3.1) để xây dựng và kiểm tra mô hình hồi quy thực nghiệm. - 55 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.1. Sơ đồ khối chương trình xây dựng và kiểm tra mô hình hồi qui thực nghiệm. Bắt đầu Loại các hệ số không thỏa mãn Tính lại các hệ số In kết quả Kết thúc  ,, 21 FFtt   ,, 21FFtt  Thỏa mãn 75,02 R 75,02 R Tính các hệ số hồi quy b0, bi, bij, bii Nhập dữ liệu t, Sd, Vđ, Ra Không thỏa mãn Thỏa mãn Kiểm tra độ tương thích của mô hình theo chuẩn Fisher Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số mới Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy - 56 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.3. Mô tả hệ thống thí nghiệm 3.3.1. Vật liệu thí nghiệm Vật liệu mẫu thí nghiệm là thép SUJ2 nhiệt luyện đạt độ cứng HRC = 58 ÷ 60. Bảng 3.2 và 3.3 là tỷ lệ các nguyên tố (theo %) của thép SUJ2 và kí hiệu mác thép tương đương với thép SUJ2 của các nước. Bảng 3.2. Tỷ lệ các nguyên tố của thép SUJ2. Tỷ lệ các nguyên tố (%) C Mn Si Cr Ni Cu S P 0,95÷1,05 0,2÷0,4 0,17÷0,37 1,30÷1,65 0,3 0,25 0,2 0,27 Bảng 3.3. Kí hiệu tương đương mác thép SUJ2 của các nước. Việt Nam (TC VN) Nga (TC OCT) Mỹ (TC SAE) Nhật ( TC JIS) OL 100Cr 1,5 ШX15 52100 SUJ2 Thép SUJ2 được sử dụng phổ biến để chế tạo các chi tiết chính xác và chịu mài mòn như vòng bi, vít me bi, bạc, đĩa ma sát… 3.3.2. Đá mài Các thông số của đá mài được chọn tương đối phù hợp với điều kiện mài tinh thép SUJ2 nhiệt luyện. Đá mài thí nghiệm gồm 2 loại sau: 1. Đá mài của Nhà máy Đá mài Hải Dương có kí hiệu: Cn80. MV1.G.V1.2502075.50 m/s. Các thông số cơ bản của đá là: Cn - vật liệu hạt mài là ôxit nhôm điện thường. 80 - độ hạt (số mắt sàng có trong 1 tấc Anh). MV1 - độ cứng của đá. G - chất dính kết là gốm. V1- kiểu đá trụ, cạnh vuông. 2502075 - kích thước (mm) đường kính ngoài, bề rộng và đường kính lỗ của đá. 50 m/s - giới hạn tốc độ đá theo độ bền của đá. - 57 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2. Đá mài CBN của hãng EHWA (Korea) có kí hiệu : RB- 1A1, 250D-20T-2X-75H, SL80N100BI Các thông số cơ bản của đá là: RB - vật liệu hạt mài là CBN. 1A1 - kiểu đá mài. 250D - đường kính ngoài của đá mài. 20T - bề rộng của đá mài. 2X - chiều dày lớp hạt mài CBN. 75H - đường kính lỗ của đá mài. SL - kí hiệu riêng của nhà sản xuất. 80 - độ hạt ( số mắt sàng có trong một tấc Anh). N - độ cứng của đá mài. 100 - nồng độ hạt mài (trong 1mm3 đá mài CBN có 0,878 mg hoặc 0.00439 cara hạt mài CBN). BI - chất dính kết là nhựa tổng hợp. 3.3.3. Sửa đá mài Đá mài sau khi lắp và cân bằng được sửa bằng bút kim cương kí hiệu C5 (TC OCT – LB Nga) với chế độ sửa đá: Ssđ = 0,4 (m/ph), tsđ = 0,01(mm). 3.3.4. Tƣới nguội Dùng phương pháp tưới tràn với dung dịch trơn nguội là nhũ tương của hãng TOTAN pha với nước đạt nồng độ 10%. 3.3.5. Máy thí nghiệm Thí nghiệm trên máy mài phẳng 3Б725, các đặc tính kỹ thuật chính của máy: - Công suất động cơ trục chính : 2,8 kw. - Số vòng quay của trục đá mài : 2860 vòng/ph. - Tốc độ chuyển động dọc của bàn máy : 0 ÷ 22 (m/ph). - Chạy dao ngang của bàn máy/1 hành trình dọc của bàn máy: 0,2 ÷ 2 (mm). 3.3.6. Thiết bị đo - Đo độ nhám bề mặt gia công (Ra, Rz) bằng máy đo biên dạng kiểu đầu dò tiếp xúc SJ-201 (Hãng MITUTOYO – JAPAN). - 58 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Khảo sát hình thái bề mặt gia công bằng máy hiển vi điện tử quét: JSM 6490 (Hãng JEOL – JAPAN). - Phân tích cấu trúc tế vi lớp bề mặt gia công bằng máy hiển vi quang học Axiovert 40MAT (Hãng CARL ZEISS – GERMAN - Khảo sát ứng suất dư bề mặt gia công bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên máy X’PERT PRO (Hãng PANALYTICAL – PHILIP). 3.4. Số liệu thí nghiệm và kết quả xử lý số liệu thí nghiệm 3.4.1. Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt Tiến hành thực nghiệm theo kế hoạch tựa D tối ưu đối xứng với 3 thông số ảnh hưởng của chế độ cắt là t, Sd, Vđ (bảng 3.1). Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ cắt (t, Sd, Vđ) đến độ nhám bề mặt gia công Ra cho ở (bảng 3.4). Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài thép SUJ2 bằng đá CBN. TTTN Thông số vào Ra (m) t (mm) Sd (m/ph) Vđ (m/ph) Ra1 Ra2 Ra3 Ra 1 0.005 7 1700 0,57 0,47 0,45 0,50 2 0.005 20,5 1700 0,64 0,56 0,68 0,63 3 0.005 7 1905 0,39 0,46 0,52 0,46 4 0.005 20,5 1905 0,57 0,60 0,53 0,57 5 0.002 12 1700 0,50 0,56 0,48 0,52 6 0.012 12 1700 0,73 0,69 0,51 0,64 7 0.002 12 1905 0,49 0,56 0,43 0,49 8 0.012 12 1905 0,52 0,63 0,57 0,56 9 0.002 7 1800 0,57 0,47 0,65 0,56 10 0.012 7 1800 0,65 0,76 0,57 0,66 11 0.002 20,5 1800 0,71 0,68 0,74 0,71 12 0.012 20,5 1800 0,70 0,72 0,79 0,74 13 0.005 12 1800 0,58 0,79 0,68 0,68 - 59 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Xây dựng và kiểm tra mô hình hồi qui thực nghiệm bằng chương trình máy tính với sơ đồ khối trình bày ở hình 3.1 được kết quả như sau: 82,019,008,0 ...260  đda VStR (3.40) Bảng 3.5. Độ nhám bề mặt của thép SUJ2 khi mài bằng đá Al2O3 và CBN. TTTN Chế độ cắt Độ nhám Ra (μm) t (mm) Sd (m/ph) Vđ (m/ph) Đá Al2O3 Đá CBN 1 0,005 20,5 1700 0,41 0,63 2 0,005 20,5 1905 0,37 0,57 3 0,002 12 1905 0,32 0,49 4 0,012 12 1700 0,51 0,64 3.4.2. Hình thái bề mặt gia công Tiến hành thí nghiệm với hai loại đá mài trên hai mẫu thép SUJ2 có kích thước: dài x rộng x cao = 100 x 15 x 15 (mm). Chế độ cắt: t = 0,005 mm; Sd = 12 m/ph; Vđ = 1905 m/ph. Các điều kiện gia công còn lại như trên. Với mỗi loại đá sau khi sửa, tiến hành mài với 10 lần ăn chiều sâu (để topography của đá mài đạt tới trạng thái ổn định) thì dừng lại. Chụp ảnh tế vi bề mặt gia công trên máy hiển vi điện tử quét JSM 6490, kết quả cho trên hình 3.2 và hình 3.3. Hình 3.2 . Ảnh SEM bề mặt thép SUJ2 khi mài bằng đá mài Al203. - 60 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.3 . Ảnh SEM bề mặt thép SUJ2 khi mài bằng đá mài CBN. 3.4.3. Cấu trúc lớp kim loại bề mặt gia công Tiến hành thí nghiệm với các điều kiện gia công như trên. Với mỗi mẫu và mỗi loại đá sau khi sửa, tiến hành mài với 20 lần ăn chiều sâu thì dừng lại. Cắt mẫu, đem mài bóng rồi cho xâm thực hóa học và phân tích trên máy hiển vi quang học Axiovert 40 MAT tại Viện Khoa học vật liệu Hà Nội. Hình 3.4 và hình 3.5 là ảnh chụp cấu trúc lớp bề mặt của hai mẫu. Hình 3.4. Mẫu mài bằng đá CBN, 100x, tổ chức lớp rìa gồm các bít phân bố trên nền mactenxit ram. - 61 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.5. Mẫu mài bằng đá Al2O3, 100x, tổ chức lớp rìa gồm các bít phân bố trên nền mactenxit chưa ram. 3.4.4. Ứng suất dƣ bề mặt gia công Tiến hành thí nghiệm với các điều kiện gia công như trên. Với mỗi mẫu và mỗi loại đá sau khi sửa, tiến hành mài với 20 lần ăn chiều sâu thì dừng lại. Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X để xác định ứng suất dư bề mặt gia công trên máy X'PERT PRO tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Dùng nhiễu xạ tia X tác động vào hai mẫu với các góc  khác nhau đã cho kết quả trên hình 3.6 và hình 3.7 . Hình 3.6. Kết quả phân tích ứng suất dư bề mặt của thép SUJ2 khi mài bằng đá CBN. - 62 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.7. Kết quả phân tích ứng suất dư bề mặt của thép SUJ2 khi mài bằng đá CBN. Từ kết quả phân tích ứng suất dư ta nhận được số liệu về các giá trị của thông số d tương ứng với các giá trị của sin2 Bảng 3.6. Các giá trị của d tương ứng với sin2. Mẫu mài bằng đá CBN Mẫu mài bằng đá Al2O3 sin 2 d sin2 d 0 2.03384 0 2.05387 0.1 2.02961 0.1 2.05838 0.2 2.02876 0.2 2.05564 0.3 2.02952 0.3 2.05118 0.4 2.02753 0.4 2.05043 0.5 2.02977 0.5 2.04628 0.6 2.03074 0.6 2.04716 0.7 2.03081 0.7 2.04893 0.8 2.03338 0.8 2.05473 0.9 2.03838 0.9 2.06035 - 63 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Sử dụng phần mềm Origin 6.0 để vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa d và sin 2 ứng với kết quả phân tích của từng mẫu. Hình 3.8. Đồ thị quan hệ giữa d và sin2 của mẫu mài bằng đá CBN. Hình 3.9. Đồ thị quan hệ giữa d và sin2 của mẫu mài bằng đá Al2O3. - 64 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Áp dụng công thức(1.37) để tính ứng suất dư trong trạng thái ứng suất phẳng:  2211 2sin 1    E v E v d dd o o   ooo d E v d E v dd    2211 2sin 1  (3.41) Độ dốc m của phương trình (3.41) là:  E v dm o   1         v E d m o 1  Trong đó: m - độ dốc của đường thẳng quan hệ giữa d và sin2; do - khoảng cách mạng khi không chịu ứng suất; E - modul đàn hồi của thép SUJ2, E = 210 GPa; v - hệ số poát xông, v = 0.28. - Trường hợp mài thép SUJ2 bằng đá CBN: Độ dốc m = -0.00103 do = 2.05264 Å )(32.82)(10 28.01 210 05264.2 00103.0 9 MPaPa           - Trường hợp mài thép SUJ2 bằng đá Al2O3: Độ dốc m = 0.00505 do = 2.03149 Å )(87.407)(10 28.01 210 03149.2 00505.0 9 MPaPa          . - Vì  = 0 nên  = 11 và ta có: Ứng suất dư bề mặt của mẫu mài bằng đá CBN:  = 11 = -82.32 (Mpa) Ứng suất dư bề mặt của mẫu mài bằng đá Al2O3:  = 11 = 407.87 (Mpa) - 65 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Với trị số đã xác định thì ứng suất dư lớp bề mặt gia công khi mài thép SUJ2 nhiệt luyện bằng đá mài CBN là ứng suất dư nén, còn ứng suất dư lớp bề mặt gia công khi mài thép SUJ2 nhiệt luyện bằng đá mài Al203 là ứng suất dư kéo. 3.5. Thảo luận kết quả 3.5.1. Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công Kết quả hồi qui đã cho biết quan hệ giữa độ nhám bề mặt gia công và chế độ cắt khi mài thép SUJ2 nhiệt luyện bằng đá mài CBN trên máy mài phẳng: 82,019,008,0 ...260  đda VStR (3.42) Như vậy qui luật ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi mài bằng đá mài thường và đá mài CBN là giống nhau. Các thông số t, Sd, Vđ đều ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công nhưng ở các mức độ khác nhau: tốc độ cắt Vđ có ảnh hưởng nhiều nhất, còn chiều sâu cắt t có ảnh hưởng không đáng kể. - Nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi các vết cào xước chồng lên nhau của các điểm cắt trên các hạt mài có chiều cao không bằng nhau [1], [7]. Về mặt lý thuyết, khi chiều sâu mài t lớn hơn chiều cao nhô lên mặt đá của các hạt mài thì việc thay đổi chiều sâu mài không làm thay đổi chiều sâu cắt của các hạt mài az do đó độ nhám bề mặt mài Ra, Rz không thay đổi. Tuy nhiên công thức (3.42) lại cho thấy chiều sau mài t có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt mài (mặc dù rất ít), sở dĩ như vậy là vì chiều sâu mài ảnh hưởng đến rung động, nhiệt cắt và lực cắt mà đây lại là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt gia công. Tăng chiều sâu mài thì rung động, lực cắt, nhiệt cắt tăng đồng thời việc tưới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt cũng khó khăn hơn làm cho nhiệt cắt tăng, tăng mức độ biến dạng dẻo lớp kim loại bề mặt và kết quả là độ nhám bề mặt gia công tăng. Đá mài càng mịn thì chiều cao nhô lên mặt đá của các hạt mài càng ít và vì vậy mức độ ảnh hưởng của chiều sâu mài đến độ nhám bề mặt gia công càng nhỏ. - Tăng lượng chạy dao dọc Sd một mặt làm giảm sự “xếp chồng” đường cắt của các hạt mài làm chiều sâu cắt az của các hạt mài tăng nên độ nhám Ra tăng, mặt khác lại làm giảm nhiệt cắt do cải thiện được điều kiện tưới nguội vào vùng cắt nên độ nhám bề mặt Ra giảm. Vì thép SUJ2 nhiệt luyện có mức độ biến dạng dẻo không - 66 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên lớn nên ảnh hưởng thứ nhất trội hơn. Mặt khác nhiệt cắt khi mài bằng đá CBN không lớn như với đá mài thường nên khi tăng Sd thì Ra tăng. - Tăng tốc độ cắt Vđ một mặt làm tăng sự “xếp chồng” đường cắt của các hạt mài nên độ nhám bề mặt mài Ra giảm, mặt khác lại làm tăng nhiệt cắt qua đó làm tăng mức độ biến dạng dẻo và độ nhám bề mặt. Vì nhiệt cắt khi mài bằng đá CBN không cao nên ảnh hưởng thứ nhất trội hơn tức là tăng Vđ thì Ra giảm. Mô hình (3.42) là cơ sở để lựa chọn chế độ cắt hợp lý hoặc tối ưu khi mài tinh thép SUJ2 bằng đá CBN trên máy mài phẳng. Kết quả đo độ nhám bề mặt gia công ở bảng 3.5 cho thấy: trong cùng điều kiện mài và có cùng cấp độ hạt 80 nhưng độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN thấp hơn so với khi mài bằng đá Al2O3 khoảng một cấp. Có thể giải thích điều đó như sau: hạt mài CBN do có độ cứng và độ bền nén rất cao nên hầu như không bị vỡ khi sửa đá, mật độ lưỡi cắt của đá CBN vì vậy phụ thuộc chủ yếu vào việc chế tạo đá mài và hạt mài; ngược lại, hạt mài Al2O3 do có độ cứng và độ bền nén thấp hơn nên dễ bị vỡ khi sửa đá để hình thành lưỡi cắt mới, mật độ lưỡi cắt của đá Al2O3 vì vậy phụ thuộc rất nhiều vào việc sửa đá [14]; kết quả thí nghiệm chứng tỏ việc sửa đá đã làm cho mật độ lưỡi cắt của đá Al2O3 cao hơn so với đá CBN. 3.5.2. Hình thái bề mặt gia công Ảnh SEM cho thấy: khi mài bằng đá Al2O3 thì hiện tượng vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt xảy ra mạnh hơn, các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi lõm trên bề mặt mài đồng thời gây ra ứng suất tập trung khi chi tiết làm việc sau này (hình 3.2); khi mài bằng đá CBN thì do các hạt mài CBN có độ sắc cao nên đường cắt của các hạt mài gọn và sắc nét hơn, vật liệu ít bị nén giãn sang hai bên đường cắt, các hạt mài hầu như không bị vỡ trong quá trình mài (hình 3.3). 3.5.3. Cấu trúc lớp kim loại bề mặt gia công Nhiệt cắt khi mài cao lại truyền phần lớn vào chi tiết gia công (65 ÷ 84%) [2] làm cho lớp bề mặt gia công bị nung nóng sau đó được làm nguội nhanh, đây chính là nguyên nhân làm thay đổi cấu trúc lớp bề mặt gia công. - 67 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Kết quả kiểm tra kim tương lớp bề mặt gia công của thép SUJ2 nhiệt luyện tại Viện Khoa học vật liệu Hà Nội cho thấy: - Lớp bề mặt mài bằng đá Cn80.MV1.G.V1.250x20x75.50m/s đã bị tôi lại. Điều đó chứng tỏ nhiệt cắt trong trường hợp này khá cao vì lớp bề mặt gia công đã được nung nóng tới nhiệt độ của điểm AC3. Lớp bề mặt gia công bị tôi lại sẽ bị giảm độ cứng so với ban đầu [7] do đó làm giảm khả năng chịu mài mòn khi làm việc của bề mặt chi tiết. - Lớp bề mặt mài bằng đá RB-1A1, 250D-20T-2X-75H đã bị ram lại. Điều đó chứng tỏ nhiệt cắt trong trường hợp này khá thấp nên lớp bề mặt gia công chỉ bị nung nóng tới nhiệt độ của điểm AC1. Lớp bề mặt gia công chỉ bị ram lại nên cơ tính thay đổi không đáng kể so với ban đầu, vì thế không làm ảnh hưởng xấu tới khả năng làm việc sau này của chi tiết máy. Khả năng cắt tốt hơn cũng như tính dẫn nhiệt cao hơn của đá mài CBN đã làm giảm đáng kể nhiệt độ mài. 3.5.4. Ứng suât dƣ bề mặt Ứng suất dư bề mặt có ảnh hưởng đến khả năng làm việc sau này của chi tiết máy: ứng suất dư nén có tác dụng nâng cao độ bền mỏi, ngược lại ứng suất dư kéo lại làm giảm độ bền mỏi của chi tiết máy [3], ứng suất dư kéo với trị số lớn còn là nguyên nhân gây ra các vết nứt tế vi trên bề mặt qua đó làm giảm mạnh độ bền mỏi của chi tiết máy [14]. Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt phụ thuộc vào sự biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc lớp kim loại bề mặt. Kết quả xác định ứng suất dư bề mặt gia công khi mài thép SUJ2 nhiệt luyện đã cho thấy: mài bằng đá Al2O3 là ứng suất dư kéo có trị số σ = 407,87 MPa, mài bằng đá CBN là ứng suất dư nén có trị số σ = - 82,32 MPa, sự chênh lệch giữa hai giá trị ứng suất là khá lớn. Nguyên nhân của sự khác biệt trên là do đá CBN có độ sắc hơn, hệ số truyền nhiệt cao cho phép duy trì nhiệt cắt thấp hơn nên mức độ biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc lớp kim loại bề mặt ít hơn. Nói cách khác, cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá mài CBN ít bị thay đổi do đó trị số ứng suất dư bề mặt nhỏ. - 68 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.6. Kết luận Chƣơng 3 1. Đã xây dựng được mô hình quan hệ giữa độ nhám bề mặt gia công với chế độ cắt khi mài thép SUJ2 nhiệt luyện bằng đá CBN RB-1A1,250D-20T-2X-75H trên máy mài phẳng. Mô hình cho phép đánh giá mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt tới độ nhám bề mặt gia công ứng với các điều kiện công nghệ cụ thể và là cơ sở để lựa chọn chế độ cắt hợp lý hoặc tối ưu. 2. Đã đánh giá chất lượng bề mặt gia công khi mài thép SUJ2 nhiệt luyện bằng đá Al2O3 và đá CBN qua các thông số như: độ nhám bề mặt, hình thái bề mặt, cấu trúc lớp kim loại bề mặt, ứng suất dư bề mặt. Kết quả đã cho phép khẳng định: chất lượng bề mặt gia công khi mài bằng đá CBN tốt hơn hẳn so với mài bằng đá Al2O3. - 69 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KẾT LUẬN CHUNG 1. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi mài tinh thép ổ lăn SUJ2 nhiệt luyện bằng đá CBN RB-1A1,250D-20T-2X-75H trên máy mài phẳng xác định theo công thức thực nghiệm: 82,019,008,0 ...260  đda VStR Đây là cơ sở để lựa chọn chế độ cắt hợp lý hoặc tối ưu. 2. Các thông số chế độ cắt đều ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công nhưng với mức độ khác nhau: vận tốc cắt có ảnh hưởng lớn nhất, chiều sâu cắt ảnh hưởng không đáng kể. Như vậy, khi điều khiển quá trình mài tinh theo chỉ tiêu độ nhám bề mặt gia công thì cần ưu tiên điều khiển thông số vận tốc cắt và lượng chạy dao. 3. Đá Al2O3 và CBN có cùng cấp độ hạt 80 nhưng bề mặt thép SUJ2 khi mài bằng đá CBN thô hơn khoảng một cấp. Như vậy, để đảm bảo yêu cầu về độ nhám bề mặt gia công cần chọn đá CBN có cấp độ hạt mịn hơn đá Al2O3 ít nhất một cấp. 4. Chất lượng bề mặt của thép SUJ2 khi mài bằng đá Al2O3: mức độ đồng nhất của hình thái bề mặt thấp, trên bề mặt có các vết lồi lõm do các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột, lớp bề mặt bị tôi lại và bị giảm độ cứng, ứng suất dư bề mặt là ứng suất kéo với trị số lớn. 5. Chất lượng bề mặt của thép SUJ2 khi mài bằng đá CBN: mức độ đồng nhất của hình thái bề mặt cao, lớp bề mặt bị ram lại cho nên độ cứng ít thay đổi, ứng suất dư bề mặt là ứng suất nén. Đánh giá chung là chất lượng bề mặt của thép ổ lăn SUJ2 khi mài bằng đá CBN cao hơn hẳn so với khi mài bằng đá Al2O3. - 70 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ngô Cƣờng (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến một vài thông số đặc trưng cho quá trình cắt khi mài tinh thép ШХ15 và X12M bằng đá mài Hải Dương trên máy mài tròn ngoài, Luận án Tiến sỹ, Hà Nội. 2. Trần Văn Địch (2003), Nghiên cứu độ chính xác gia công bằng thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 3. Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình và các tác giả (2003), Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 4. Nguyễn Thế Hùng, Trần Thế San, Hoàng Trí (2002), Thực hành cơ khí tiện, phay, bào, mài, NXB Đà Nẵng. 5. Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang (1998), Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp, NXB Nông nghiệp, Hà Nội. 6. Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy (2001), Nguyên lý gia công vật liệu, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 7. Nguyễn Văn Tính (1978), Kỹ thuật mài, NXB Công nhân kỹ thuật, Hà Nội. 8. Brinksmeier E., Cammett J.T., König W., Leskovar P, Peters J., Tönshoff H.K.(1982), Residual Stresses - Measurement and Causes in Machining Processes, CIRP Annals - Manufacturing Technology 31(2), pp. 491-510. 9. Chen X., Rowe W.B., Cai R. (2002), Precision grinding using CBN wheels, International Journal of Machine Tools and Manufacture 42(5), pp. 585–593. 10. EHWA Diamond Industrial Co.,Ltd (2006), Diamond And CBN Wheels, Osan city, Kyungki Do, Korea. 11. Fathallah B.B., Fredj N.B., Sidhom H, Braham C., Ichida Y. (2009), Effects of abrasive type cooling mode and peripheral grinding wheel speed on the AISI D2 steel ground surface integrity. International, Journal of Machine Tools and Manufacture 49(3-4), pp 261-272. - 71 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12. Ichida Y., Sato R., Morimoto Y., Ohsawa Y., Fredj N.B. (2006), Formation mechanism of finished surface in ultrahigh - speed grinding with cubic boron nitride (CBN) wheels, JSME International Journal, Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing 49(1), pp. 100-105. 13. Liu C., Chen X., Gindy N. (2007), Assessment of Al2O3 and superabrasive wheels in nickel-based alloy grinding, International journal of advanced manufacturing technology 33(9-10), pp. 940-951. 14. Malkin S. (1989), Grinding Technology: Theory and Applications of Machining With Abrasives, Ellis Horwood, Chichester, West Sussex, London. 15. Malkin S.(1985), Current Trends in CBN Grinding Technology, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 34(1), pp. 557-560. 16. Malkin S., Guo C. (2007), Thermal analysis of grinding, CIRP Annals - Manufacturing Technology 56(2), pp. 760-782. 17. Malkin S. and Shi Z. (2006), Wear of electroplated CBN grinding wheel, Journal of manufacturing science and engineering 128 (1), pp. 110-118. 18. Malkin S. and Upadhyaya R. P. (2004), Thermal Aspect of Grinding With Electroplated CBN Wheels, Journal of manufacturing science and engineering 126(1), pp. 107–114. 19. Monici R.D., Bianchi E.C., Catai R.E., Aguiar P.R. (2006), Analysis of the different forms of application and types of cutting fluid used in plunge cylindrical grinding using conventional and superabrasive CBN grinding wheels, International Journal of Machine Tools and Manufacture 46(2), pp. 122-131. 20. Morgan M.N., Rowe W.B., Black S.C.E. and Allanson D.R. (1998), Effective thermal propertier of grinding wheel and grains, Proceeding of the institute of mechanical engineers, Part B, Journal of engineering manufacture 212, pp. 661-669. 21. Pavel R., Srivastava A. (2007), An experimental investigation of temperatures during conventional and CBN grinding, The International Journal of Advanced Manufacturing - 72 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Technology 33(3), pp. 412-418. 22. Silva E.J da, Alves S.M., Oliveira J.F.G de. The influence of grinding fluids in the wear of vitrified CBN wheel. 23. Silva E.J da., Bianchi E.C., Oliveira J.F.G de., Aguir P.R de.(2003) Evaluation of grinding fluids in the grinding of a mastensitic valve steel with CBN and alumina abrasives, Proceeding of the institute of mechanical engineers, Part B, Journal of engineering manufacture 217, pp. 1047-1055. 24. Stephenson D.J., Veselovac D., Manley S., Corbett J. (2001), Ultra-precision grinding of hard steels, Precision Engineering 25(4), pp. 336-345. 25. Tönshoff H.K., Wobker H. G., Brunner G. (1995), CBN Grinding with Small Wheels, CIRP Annals - Manufacturing Technology 44(1), pp. 311-316. 26. Osman Anderoglu (2004), “Residual stress measurement using X-ray diffraction”, Master of science, Texas A&M University, USA. 27. P. J.Withers and H.K.D.H.Bhadeshia (2001), “Residual Stress Part 1 - Measurement Techniques”, Materials Science and Technology, 17, pp. 355-365.