- 1 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CÔNG
NGHỆ SỬA ĐÁ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI
THÉP KHÔNG GỈ TRÊN MÁY MÀI TRÒN NGOÀI
ĐỖ MẠNH CƢỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2010
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Trần Minh Đức
HỌC VIÊN

- 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo - TS. Trần Minh Đức, người đã hướng
dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và
hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn ThS. Phạm Quang Đồng – Trưởng bộ môn Chế tạo
máy - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ tận tình tác giả trong quá trình
thực hiện thí nghiệm.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các cô, các chú và các bạn đồng nghiệp phòng
Đào tạo, Khoa Sau đại học - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận
lợi để tác giả hoàn thành Luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác
giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và

3. Đối tượng, mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu
2
Chƣơng 1:
TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP MÀI
3
1.1. Đặc điểm của quá trình mài
3
1.2. Cơ sở vật lý của quá trình mài
4
1.2.1. Qúa trình tạo phoi khi mài
4
1.2.2. Lực cắt khi mài
7
1.2.3. Công suất cắt khi mài
9
1.2.4. Nhiệt cắt khi mài
9
1.2.5. Sự mài mòn của hạt mài và chất dính kết
11
1.2.6. Rung động khi mài
12
1.2.7. Chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp mài
13
1.2.7.1. Độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
13
1.2.7.2. Độ sóng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới độ sóng bề mặt
15
1.2.7.3. Sự thay đổi cấu trúc của lớp bề mặt mài và sự hình thành ứng
suất dư bề mặt
15

2.1.1.2. Động lực học quá trình sửa đá
25
2.1.2. Định nghĩa, tính chất và ý nghĩa của Topography
2.1.2.1. Định nghĩa
27
27
2.1.2.2. Tính chất của Topography
27
2.1.2.3. Ý nghĩa của Topography
28
2.1.3. Các phương pháp đánh giá Topography của đá
28
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến Topography
29
2.1.4.1. Ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của đá mài
29
2.1.4.2. Ảnh hưởng của dụng cụ sửa đá
30
2.1.4.3. Ảnh hưởng của chế độ cắt khi sửa đá
31
2.1.5. Ảnh hưởng của Topography đến kết quả mài
32
2.1.5.1. Ảnh hưởng đến lực cắt
32
2.1.5.2. Ảnh hưởng đến độ mòn của đá
33
2.1.5.3. Ảnh hưởng đến độ nhấp nhô tế vi bề mặt
34
2.1.5.4. Ảnh hưởng đến nhiệt cắt
35

3.1. Yêu cầu với hệ thống thí nghiệm
45
3.2. Hệ thống thí nghiệm
45
3.3. Các thông số công nghệ cơ bản của hệ thống
46
3.3.1. Máy mài
46
3.3.2. Đá mài
46
3.3.3. Dụng cụ sửa đá
46
3.3.4. Chi tiết gia công
46
3.3.5. Phương pháp mài
47
3.3.6. Dung dịch trơn nguội
47
3.4. Thiết bị đo nhám bề mặt
47
3.5. Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm và ma trận thực nghiệm
47
3.6. Phương pháp tiến hành thực nghiệm
48
3.6.1. Phương pháp tiến hành thí nghiệm
48
3.6.2. Xử lý số liệu thí nghiệm
49
3.6.3. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của nhám bề mặt (Ra, Rt,) với chế
độ công nghệ sửa đá (Ssđ, tsđ)

Chiều cao biên dạng lớn nhất
m
V
ct
Tốc độ của chi tiết gia công
m/ph
V
đ
Tốc độ của đá mài
m/ph
t
Chiều sâu khi mài
mm
a
z

Chiều sâu cắt của hạt mài
mm
S
d

Lượng chạy dao dọc
m/ph
S
n

Lượng chạy dao ngang
mm/htđ
S
sđ

1
1.1
Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng
hợp kim
10
2
2.1
Ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của đá mài đến
Topography
30
3
3.1
Giá trị của S
sđ
, t
sđ
và kết quả đo của Ra,Rt tại các điểm thí
nghiệm
49
Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài
9
4
1.4
Sự mài mòn hạt mài và chất dính kết
11
5
1.5
Rung động gây ra sóng bề mặt gia công
12
6
1.6
Sự hình thành độ nhám bề mặt mài
13
7
1.7
Ảnh SEM bề mặt mài
14
8
1.8
Cấu trúc lớp bề mặt mài
16
9
2.1
Phân loại dụng cụ sửa đá kim cương
23
10
2.2
Sửa đá bằng bút chì kim cương
24

17
2.9
Ảnh hưởng của V
’
w
và chế độ sửa đá đến P
hk

34
18
2.10
Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến độ nhấp nhô tế vi bề mặt
R
a

34
19
2.11
Sơ đồ tạo phoi khi mài thép không gỉ
37
20
2.12
Bề mặt đá mài khi gia công thép không gỉ
37
21
2.13
Không gian chứa phoi của đá khi mài thép không gỉ
38
22
2.14

2.21
Mô hình tổng quát phương pháp nghiên cứu và mục đích
nghiên cứu
44
30
3.1
Mô hình hệ thống thí nghiệm
45
31
3.2
Mẫu phôi thí nghiệm
46
32
3.3
Ảnh Máy đo nhám Mittutoyo SJ-201
47
33
3.4
Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm và ma trận thực nghiệm
48
34
3.5
Ảnh SEM bề mặt khi mài thép không gỉ SUS304 tại điểm
P
6

54
35
3.6
Ảnh SEM bề mặt khi mài thép không gỉ SUS304 tại điểm


55
- 12 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đòi hỏi các
chi tiết máy, các máy móc phải có độ chính xác về kích thước, hình dáng hình học,
độ bền mỏi, độ bền nhiệt và khả năng chống mài mòn cao. Để đạt được các yêu cầu
đó một mặt người ta áp dụng các phương pháp gia công tiên tiến (gia công bằng
dòng hạt mài, gia công bằng tia nước có hạt mài, gia công bằng siêu âm, gia công
bằng xung điện.v.v…) mặt khác người đã ta sử dụng các loại vật liệu có cơ, lý tính
tốt, chịu được mài mòn cao.v.v… thép không gỉ là một trong những loại vật liệu
đáp ứng được các yêu cầu đó. Do những ưu điểm nổi bật: độ dẻo dai cao, độ bền
nóng cao, khả năng chóng mài mòn cao và phản ứng từ kém cho nên thép không gỉ
đã được dùng rất nhiều trong công nghiệp như: Làm đồ gia dụng, bình chứa, chày,
cối, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ ngoài kiến trúc, các công trình
xây dựng, nồi hơi, máy giặt.v.v…
Với hàm lượng các bon thấp, hàm lượng Crôm, Niken và các nguyên tố hợp
kim khác cao do đó thép không gỉ là một loại vật liệu rất khó gia công đặc biệt là
gia công bằng phương pháp mài (gây ra hiện tượng bết, dính). Vì vậy gia công thép
không gỉ bằng phương pháp mài được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước
quan tâm nghiên cứu, ở đây để gia công thép không gỉ bằng phương pháp mài tác

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu
thực nghiệm, trong đó chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm.
6. Nội dung nghiên cứu
Nội dung chính dự kiến gồm 3 chương và phần kết luận chung
Chương 1. Tổng quan về phương pháp mài.
Chương 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ sửa đá đến chất
lượng bề mặt khi mài thép không gỉ.
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý kết quả.
Phần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài
- 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chƣơng 1:
TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP MÀI
1.1. Đặc điểm của quá trình mài
Quá trình mài là quá trình cắt gọt vật liệu bằng các hạt mài có độ cứng cao.
Các hạt mài được giữ chặt trong đá mài bằng chất dính kết. So với các phương pháp
gia công cắt gọt bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định, phương pháp mài có một số
đặc điểm sau:
- Đá mài là loại dụng cụ cắt có rất nhiều lưỡi cắt không liên tục đồng thời
tham gia cắt, các lưỡi cắt được tạo ra bởi các hạt mài có kích thước rất nhỏ, có hình
dáng rất khác nhau và phân bố lộn xộn trong chất dính kết. Đa số các hạt mài có
nhiều lưỡi cắt, có bán kính  ở các lưỡi cắt và có góc cắt không thuận lợi cho điều
kiện cắt gọt: góc trước  < 0 và góc sắc  > 90
0
.
- Vận tốc cắt khi mài rất cao thường
3530
d

, lực P
x
bé hơn lực P
z
nhiều. Tuy nhiên công suất tiêu hao khi mài rất lớn vì tốc độ cắt khi mài rất cao [1].
- Do hiện tượng tự mài sắc cũng như không thể chủ động thay đổi được hình
dáng và vị trí của hạt mài trong đá mài cho nên việc nghiên cứu và điều khiển quá
trình mài gặp nhiều khó khăn, các quy luật của quá trình mài chưa được nghiên cứu
toàn diện.
- Khi mài một phần phoi sẽ được dung dịch trơn nguội cuốn trôi, phần còn
lại sẽ chèn vào các khe hở giữa các hạt mài do đó sẽ làm giảm chiều cao nhô ra của
các hạt mài. Sau một thời gian mài, các hạt mài sẽ bị cùn dần, khả năng ăn sâu vào
vật liệu gia công giảm do đó lực cắt tăng lên khả năng cắt của đá mài bị suy giảm
nhanh.
Do những đặc điểm trên, đặc biệt là khả năng gia công các vật liệu có độ
cứng và độ bền cao cho độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên phương pháp
mài có vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại. Trong tổng số các máy công
cụ, máy mài chiếm đến 30%, còn trong một số ngành đặc biệt như chế tạo vòng bi
máy mài chiếm đến 60% [1]. Mặc dù được sử dụng cả trong gia công thô nhưng chỉ
trong gia công tinh thì những ưu thế của phương pháp mài mới thực sự được phát
huy hiệu quả, vì vậy mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối
các bề mặt quan trọng [2].
1.2. Cơ sở vật lý của quá trình mài
1.2.1. Qúa trình tạo phoi khi mài
Bản chất của quá trình mài là sự cào xước tế vi bề mặt bằng những hạt mài
có các lưỡi cắt khác nhau ở vận tốc cắt cao. Sự phân bố của các hạt mài trong chất
dính kết là ngẫu nhiên, các hạt mài thường có góc trước  < 0, góc sắc  > 90
0
và
bán kính

a
s 
(1.1)
Các dạng có thể có của lưỡi cắt:
Dạng I: Giống với dạng lưỡi cắt của dụng cụ có lưỡi cắt xác định với góc
trước

; góc sau

(hình 1.1b).
Dạng II: Trên đỉnh lưỡi cắt có diện tích mòn
m

với chiều dài trung bình của
diện tích mòn là
m
L
. Có thể coi diện tích mòn là một phần của mặt sau và ma sát
của mặt này tương tự ma sát trên mặt sau của dao tiện (hình 1.1c).
- 17 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Các nghiên cứu đều cho rằng, các lưỡi cắt chỉ bền vững khi
 0

. Thường

có thể đặt đến giá trị
80
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Các nghiên cứu chỉ ra rằng hình dáng hình học của lưỡi cắt, góc tác dụng ,
chế độ cắt, chế độ bôi trơn làm nguội đều ảnh hưởng đến
'
z
a
,
t
. Ngoài ra
'
z
a
còn
phụ thuộc vào các yếu tố khác như: các thành phần của lực cắt, vào tính chất cơ lý
tính của vật liệu gia công. Khi bán kính cong

của hạt mài rất nhỏ thì độ bền động
học của nó rất nhỏ nên khi vào vùng cắt chúng dễ dàng bị phá hủy không thể cắt gọt
được. Khi

có giá trị hợp lý thì quá trình cắt gọt thuận lợi và lượng nhiệt sinh ra ở
vùng cắt nhỏ. Khi

lớn sẽ không cắt được với chiều sâu cắt nhỏ và xảy ra hiện
tượng trượt giữa hạt mài và chi tiết gia công dẫn đến lượng nhiệt phát sinh ở vùng
cắt lớn do áp lực lớn. Lưỡi cắt bị mòn góc

nhỏ thì biến dạng vật liệu liệu tăng lên
mặc dù

là hệ số lực cắt (1.2)
Khi cắt, ở giai đoạn chưa tạo phoi (giai đoạn I,II hình 1.2), thành phần lực
hk
P
sẽ ép lưỡi cắt vào bề mặt chi tiết do
hk
P
có trị số lớn hơn rất nhiều so với
tt
P
(


nhỏ). Khi quá trình tạo phoi xảy ra thì
tt
P
tăng lên (

tăng). Lúc này
tt
P
gồm hai
thành phần: lực ma sát và lực tạo phoi.
Qua nghiên cứu vết cắt, chiều sâu cắt không có biến dạng
t
và chiều dày
phoi thực tế
'
z
a

Trong đó: n - Tổng số lưỡi cắt đồng thời tham gia cắt.

c
P
- Lực cắt tổng hợp khi mài.
Lực tổng hợp
c
P
được phân thành 3 thành phần:

xyzc
PPPP 
(1.4)
Trong đó:
z
P
- Thành phần lực tiếp tuyến.

y
P
- Thành phần lực pháp tuyến.

x
P
- Thành phần lực dọc theo phương chạy dao.
Thường
zy
PP ).35,1( 
;
x












kk
d
k
k
k
k
ctd
ct
z
BS
Dd
dD
l
t
vv
v
AP
(N) (1.5)
Trong đó

Khi mài tỷ số lực cắt

K
được xác định theo biểu thức:

y
z
P
P
K 

(1.6)
- 20 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hệ số lực cắt

K
biểu thị tương quan ma sát tại vùng tiếp xúc giữa lưỡi cắt
và chi tiết gia công.
1.2.3. Công suất cắt khi mài
Công suất mài có thể xác định theo công thức:
N = P
z

d

(1.7)
Mặc dù lực cắt khi mài thường nhỏ (vì tiết diện phoi cắt bé) nhưng công suất
mài lại lớn do tốc độ cắt khi mài rất cao (thường

Nguồn nhiệt sinh ra khi mài sẽ được truyền vào chi tiết, phoi, dụng cụ và môi
trường.
Nhiệt truyền vào chi tiết chiếm tỷ lệ rất lớn trong tổng lượng nhiệt sinh ra.
Nhiệt này làm thay đổi tổ chức tế vi của bề mặt chi tiết theo hướng không có lợi
hoặc làm oxy hóa bề mặt tùy theo thời gian tác động của nhiệt.
Một phần nhiệt khác sẽ truyền vào dụng cụ. Nhiệt này sẽ làm suy giảm độ
cứng, suy giảm tính cắt của các hạt mài và suy giảm tính năng của chất dính kết.
Ngoài ra nguồn nhiệt này còn thúc đẩy các tương tác hóa học xảy ra trong vùng cắt.
Do tốc độ cắt cao và góc cắt của các hạt mài không thuận lợi cho điều kiện
cắt gọt nên nhiệt độ ở vùng tiếp xúc giữa đá mài với chi tiết gia công rất lớn
(khoảng 1000

1500
0
C), thời gian tác dụng để phát sinh nhiệt rất ngắn (1.10
-4



5.10
-6
s) sau đó nhiệt lại giảm xuống nhanh chóng.
Bảng 1.1. Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim
[4].
Hàm lƣợng hợp kim

2 % Cr
12 % Cr
18 % w
2 % Mn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

p - áp lực riêng ở vùng tiếp xúc (kg/m
2
).
l - chiều dài tiếp xúc (cm).
d

- tốc độ đá mài (m/ph).
 - hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công (Kcal/cm.g. độ).
 - khối lượng riêng của vật liệu gia công.
c - nhiệt dung của vật liệu gia công.
Phương trình (1.8) cho thấy nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
chế độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu hạt mài, chất dính kết, độ xốp của đá mài,
dung dịch trơn nguội và phương pháp tưới nguội.
Tỷ lệ các nguyên tố hợp kim trong vật liệu là yếu tố ảnh hưởng quyết định
đến hệ số truyền nhiệt của vật liệu (bảng 1.1). Những vật liệu có số lượng và hàm
lượng nguyên tố hợp kim cao thì hệ số truyền nhiệt thấp. Khi mài những loại vật
liệu này nhiệt lan truyền chậm làm cho nhiệt độ vùng mài tăng cao, bề mặt chi tiết
mài dễ bị cháy, nứt.
Để giảm ảnh hưởng của nhiệt người ta sử dụng hạt mài, đá mài, dung dịch
trơn nguội… một cách hợp lý.
1.2.5. Sự mài mòn của hạt mài và chất dính kết
Sự mài mòn của hạt mài và chất dính kết như hình (1.4) [15]

Hình 1.4. Sự mài mòn hạt mài và chất dính kết
- 23 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Những nguyên nhân gây mài mòn tế vi gồm:

Trong đó:
em
R
- đặc tính động lực học của máy;
101
em
R
(giới hạn dưới cho máy
chống rung tốt, giới hạn trên cho máy chống rung kém).
k
m
- độ cứng tĩnh của máy.
- 24 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

k
c
/b

- độ cứng cắt trên đơn vị chiều rộng mài; k
c
/b

= 2

10 KN/mm
2
.
k
a

ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy. Chất lượng bề mặt gia công
là kết quả của quá trình tương tác lý, hóa phức tạp giữa các vật liệu trong vùng gia
công. Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt mài gồm:
- Tính chất hình học của bề mặt: độ nhám, độ sóng.
- Tính chất cơ lý lớp bề mặt.
1.2.7.1. Độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi các vết cào xước chồng lên nhau
của các điểm cắt có chiều cao không bằng nhau (hình 1.6).

Hình 1.6. Sự hình thành độ nhám bề mặt mài
- 25 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bằng cách chụp ảnh tế vi bề mặt mài và các nghiên cứu của các tác giả [5],
[14], chất lượng bề mặt tăng lên là do các nguyên nhân sau:
- Vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt.
- Kim loại dính vào các hạt mài rồi lại dính trở lại bề mặt phôi.
- Các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi lõm
trên bề mặt mài đồng thời tạo ra ứng suất tập trung.
- Các vết nứt trên bề mặt mài do nhiệt mài.

Hình 1.7. Ảnh SEM bề mặt mài
Các biện pháp làm giảm độ nhám bề mặt mài gồm:
- Biến dạng đàn hồi theo phương hướng kính của đá mài và việc chà sát đỉnh
mòn của các hạt mài.
- Sử dụng thành phần dung dịch trơn nguội phù hợp.
- Có công nghệ tưới nguội hợp lý.
Ngoài ra độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố:
- Thay đổi chế độ cắt sẽ làm tăng chiều sâu cắt a
z