i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------- --------

PHẠM HỒNG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BỀ MẶT ĐỊNH HÌNH
TRÊN MÁY PHAY CNC SỬ DỤNG ĐÁ MÀI CBN.

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số
: 60.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN MINH ĐỨC

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Phạm Hồng Hải - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ
khí, khóa 2011- 2013 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.

những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn
thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn.
Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Phạm Hồng Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................... ix
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu là :..........................................................................................2
3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc ..................................................................................3
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................3
5. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................3
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ...................................................................3
7. Nội dung của luận văn.............................................................................................4
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÀI ........................................................................5

2.2. Mòn và tuổi bền của đá mài ...............................................................................31
2.2.1. Mòn của đá mài ...............................................................................................31
2.2.2. Tuổi bền của đá mài ........................................................................................32
2.3. Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của các yếu tố đến chất lƣợng bề mặt gia công
khi mài bằng đá mài CBN .........................................................................................33
2.3.1. Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt mài ..............................................................33
2.3.2. Ảnh hƣởng đến cấu trúc lớp bề mặt mài .........................................................38
2.3.3. Ảnh hƣởng đến ứng suất dƣ lớp bề mặt mài ...................................................39
2.4. Mài bề mặt định hình bằng đá CBN trên máy Phay CNC .................................41
2.5. Giới hạn vấn đề nghiên cứu ...............................................................................43
2.6. Kết luận ..............................................................................................................45
CHƢƠNG III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................................46
3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm.....................................................................46
3.2. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm .................................................................46
3.3. Thiết bị thí nghiệm .............................................................................................46
3.3.1. Máy phay CNC ...............................................................................................46
3.3.2. Đá mài .............................................................................................................47
3.3.3. Tƣới nguội .......................................................................................................49
3.3.4. Phôi thí nghiệm ...............................................................................................50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


vi

3.3.5. Thiết bị đo .......................................................................................................50
3.4. Trình tự thí nghiệm ............................................................................................52
3.4.1. Chuẩn bị ..........................................................................................................52
3.4.2. Tiến hành thí nghiệm ......................................................................................52


Độ

γ

Góc trƣớc

Độ

ρ

Bán kính lƣỡi cắt

mm

Py

Thành phần lực cắt tiếp tuyến

N

Pz

Thành phần lực cắt pháp tuyến

N

Sn

Lƣợng chạy dao ngang


mm

a’z

Chiều dày phoi thực tế

mm

Piz

Thành phần lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến tác dụng

N

lên một hạt mài
Piy

Thành phần lực cắt theo phƣơng pháp tuyến tác dụng

N

lên một hạt mài
Kµ

Hệ số lực cắt

Pi

Lực cắt tác dụng lên một hạt mài


N

Công suất mài

km

Độ cứng tĩnh của máy

KN/mm2

kc/b

Độ cứng cắt trên đơn vị chiều rộng mài

KN/mm2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

cm
J/mm3

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


viii

KN/mm2

ka/b


mm

τbd

Thời gian mòn ban đầu

phút

ubd

Độ mòn ban đầu

µm

τ1

Thời gian mòn bình thƣờng

phút

u1

Độ mòn bình thƣờng

µm

Thông số đánh giá độ nhám bề mặt gia công

µm

[29] ............................................................................................................................36
Hình 2.10. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ nhám bề mặtkhi mài bằng đá
CBN [30] ...................................................................................................................37
Hình 2.11. Ảnh hƣởng của độ hạt đá mài CBN đến độ nhám bề mặt mài [31] ........38
Hình 2.12 . Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng tƣới nguội tới nhiệt độ mài khi mài bằng đá
CBN [32] ...................................................................................................................39
Hình 2.13. Ứng suất dƣ với các loại dung dịch trơn nguội khi mài bằng đá CBN và
Al203 [33] .................................................................................................................40
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


x

Hình 2.14. Ảnh hƣởng của vận tốc đá đến ứng suất dƣ khi mài bằng đá CBN [34] ......41
Hình 2-15: Các bề mặt định hình ..............................................................................42
Hình 3.1. Máy phay CNC YDC - 96.........................................................................46
Hình 3.2. Đồ gá lắp đá mài CBN lên lên máy phay CNC ........................................47
Hình 3.3. Đá mài CBN 125D-3X- 19T-31.75H, CBN 400N85B3,0 ........................49
Hình 3.4. Máy đo độ nhám Mytutoyo SJ – 201 ........................................................51
Hình 3.5. Kính hiển vi OLYMPUS GX51 ................................................................51
Hình 3.7. Tiến hành gia công bằng đá CBN trên máy phay CNC YDC - 96 ..........54
Hình 3.8. Sản phẩm sau khi gia công mài .................................................................54
Hình 3.9. Đồ thị phân bố nhám bề mặt .....................................................................55
Hình 3.10. Đồ thị phân bố sai lệch kích thƣớc lớn nhất ...........................................57
Hình 3.11. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài Hải Dƣơng...............58
Hình 3.12. Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài CBN ........................58
Hình 3.13. Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng đá mài Hải Dƣơng .59
Hình 3.14. Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng CBN................59

độ chính xác, chất lƣợng bề mặt và độ bền cao là cơ sở cho sự ra đời các loại máy
móc, thiết bị hiện đại, có chất lƣợng cao (độ chính xác, độ tin cây, độ bền cao…).
Phƣơng pháp mài có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí, nhờ khả năng vƣợt
trội so với các phƣơng pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ
học và độ cứng cao cho độ chính xác và chất lƣợng bề mặt cao.
Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về phƣơng 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 lƣợng bề mặt rất cao thì chƣa có phƣơng pháp nào thay thế đƣợc
cho phƣơng pháp mài.
Các loại vật liệu hạt mài thông thƣờng gồm Ôxit nhôm, cacbit silic, cacbit Bo
… Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá mài sử dụng những 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 phƣơng pháp mài. Vật liệu hạt mài này đƣợc các nƣớc công nghiệp tiên
tiến ứng dụng nhiều vào việc gia công cơ khí từ những năm 70 của thế kỷ 20.
Vật liệu CBN có độ cứng cao gần gấp đôi oxide nhôm và khả năng chịu
nhiệt đến 13710C [16]. Do độ cứng cao, đá mài làm bằng CBN có khả năng duy trì
dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lƣợng bề mặt gia công cao và ổn
định. Ngoài ra, đá mài CBN còn có khả năng lấy đi lƣợng dƣ đều đặn trên bề mặt
của chi tiết gia công mà không cần bù độ mòn của đá mài.
Từ trƣớc tới nay mài bằng đá mài CBN đƣợc nhiều nhà khoa học các nƣớc


2
quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhƣng ở Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu
về lĩnh vực này đƣợc công bố, việc sử dụng đá mài CBN vào sản xuất cũng chƣa phổ
biến. Tuy nhiên việc đánh giá ảnh hƣởng của chế độ cắt để đảm bảo chất lƣợng bề mặt
gia công đồng thời tăng tuổi bền của đá mài trong quá trình mài chƣa có công trình
nghiên cứu nào đề cập đến nhất là trong trƣờng hợp gia công các khuôn cắt cũng nhƣ

- Đƣa ra phƣơng pháp mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài
CBN cho chất lƣợng bề mặt tốt, đảm bảo hiệu quả kinh tế.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong đó thực nghiệm là chủ yếu
5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về mài và chất lƣợng bề mặt gia công và các yếu tố
ảnh hƣởng đến các thông số đặc trƣng cho chất lƣợng bề mặt gia công bằng phƣơng
pháp mài.
- Nghiên cứu tổng quan về các đặc tính cắt gọt của đá mài và chất lƣợng bề
mặt mài bằng đá CBN;
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC.
Đánh giá chất lƣợng bề mặt mài bằng đá CBN khi mài thép 9XC nhiệt luyện trên
máy mài phay CNC theo chỉ tiêu nhám bề mặt và sai lệch kích thƣớc gia công.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học:
+ Bổ sung lý thuyết về công nghệ mài nói chung và mài bề mặt định hình
nói riêng.
+ Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc nghiên cứu tối ƣu hoá quá trình mài.
+ Đề tài bổ sung đƣợc một số kết quả nghiên cứu cơ bản về mài bề mặt định
hình thép 9XC trong điều kiện kỹ thuật và công nghệ cụ thể ở Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình
trên máy phay CNC bằng đá mài CBN vào gia công cơ khí ở Việt Nam nhằm nâng
cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.


4
7. Nội dung của luận văn
Kết cấu của luận văn bao gồm ba chƣơng và phần kết luận chung
Chương 1: Tổng quan về mài

độ nhẵn bóng và độ chính xác cao.
- Hạt mài có độ cứng cao, cắt gọt không liên tục nên có thể gia công đƣợc
những vật liệu rất cứng mà các dụng cụ khác không cắt đƣợc nhƣ thép tôi, hợp kim
cứng, thép bền nhiệt

nhƣng lại không gia công đƣợc những vật liệu rất mềm.

- Lực cắt khi mài thƣờng không lớn (trung bình vào khoảng 300N - 400N) vì tiết
diện của phoi hạt mài rất bé. Thƣờng P y = (1,5 ÷ 3) Pz, lực Px bé hơn lực Pz nhiều.
Tuy nhiên công suất tiêu hao khi mài rất lớn vì tốc độ cắt khi mài rất cao [1].
- Trong quá trình cắt, đá mài có khả năng tự mài sắc: Dƣới tác dụng của tải
trọng cơ, nhiệt các hạt mài đã mòn bật ra khỏi bề mặt đá tạo điều kiện cho những


6
hạt mài mới tham gia vào quá trình cắt, ngoài ra một số hạt mài vỡ tạo thành những
lƣỡi cắt mới.
- Do hiện tƣợng tự mài sắc cũng nhƣ không thể chủ động thay đổi đƣợc 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 chƣa đƣợc nghiên cứu
toàn diện.
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 phƣơng pháp
mài có vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại. Mặc dù đƣợc sử dụng cả
trong gia công thô nhƣng chỉ trong gia công tinh thì những ƣu thế của phƣơng pháp
mài mới thực sự đƣợc phát huy, vì vậy mài thƣờng đƣợc chọn là nguyên công gia
công tinh lần cuối các bề mặt. Trong tổng số máy công cụ, máy mài chiếm đến 30%,
còn trong một số ngành đặc biệt nhƣ chế tạo vòng bi máy mài chiếm đến 60% [1].
Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những loại vật liệu có
tính năng cơ học cao, khó gia công ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi. Những đòi hỏi

nct

Vd
a

b
Sn

nđ

nđ

Sn

Vd
nct
c

d

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý các phương pháp mài phẳng
a, b - Mài phẳng bằng chu vi đá
c, d - Mài phẳng bằng mặt đầu đá
c. Quá trình tạo phoi khi mài
Các hạt mài có độ cứng tế vi cao hơn nhiều so với độ cứng của vật liệu chi tiết
gia công. Các hạt mài có đặc điểm là rất giòn nên trong quá trình cắt, chúng thƣờng vỡ
vụn thành nhiều mảnh có hình dáng bất kỳ và nhiều cạnh sắc. Các hạt mài đƣợc phân
bố trong chất dính kết ngẫu nhiên. Do có nhiều lƣỡi cắt có hình dáng bất kỳ và các
lƣỡi cắt luôn thay đổi trong quá trình mài nên việc theo dõi hình dáng của từng lƣỡi


a

c - Dạng II

Hình 1.2. Các dạng có thể có của lưỡi cắt
Các dạng có thể có của lƣỡi cắt:
Dạng I: Giống với dạng lƣỡi cắt của dụng cụ có lƣỡi cắt xác định với góc
trƣớc ; góc sau

(hình 1.2 b).

Dạng II: Trên đỉnh lƣỡi cắt có diện tích mòn m với chiều dài trung bình của
diện tích mòn là Lm . Có thể coi diện tích mòn là một phần của mặt sau và ma sát của mặt
này tƣơng tự ma sát trên mặt sau của dao tiện (hình 1.2 c).
Các nghiên cứu đều cho rằng, các lƣỡi cắt chỉ bền vững khi
có thể đặt đến giá trị - 800 [9], [10], [14]

00. Thƣờng


9
Quá trình tạo phoi khi mài đƣợc mô tả trên hình 1.3 [10].
Py

Hạt mài

Phần nhô lên
của vật liệu

Phoi


và do góc ăn tới của lƣỡi cắt

nhỏ nên giai đoạn đầu

không tạo phoi mà vật liệu gia công bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, bị đẩy sang hai
bên của lƣỡi cắt hoặc chảy qua mặt dƣới của lƣỡi cắt sang mặt sau của hạt mài.
Khi lƣỡi cắt tiếp tục ăn sâu vào chi tiết thì chiều dày phoi az tƣơng ứng với
chiều sâu vết cắt t và lúc này bắt đầu tạo phoi. Tiếp theo là quá trình tạo phoi, dồn
ép kim loại gây biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi xảy ra đồng thời.
Do vậy, chiều dày phoi thực tế a’z nhỏ hơn chiều sâu cắt thực tế t .
Thời gian của mỗi giai đoạn trong quá trình tạo phoi là rất ngắn do quá trình tạo phoi
xảy ra rất nhanh, khoảng từ 0,001 - 0,005 (s).
Các nghiên cứu cho thấy rằng az', t phụ thuộc vào hình dáng hình học của
lƣỡi cắt, vào góc tác dụng , vào vận tốc cắt vd . Ngoài ra a’z còn phụ thuộc vào các
yếu tố khác nhƣ: Các thành phần của lực cắt, vào cơ lý tính của vật liệu gia công. Khi
lƣỡi cắt bị mòn ( lớn), góc

nhỏ thì biến dạng vật liệu tăng lên mặc dù t lớn nhƣng

a’z vẫn nhỏ. Khi tăng vc có ma sát giữa lƣỡi cắt và bề mặt mài thì a’z tăng.


10

1.1.2 Lực cắt khi mài
Lực cắt tác dụng vào từng hạt mài trong quá trình cắt (hình 1.3) đƣợc chia
làm hai thành phần: Lực tiếp tuyến Ptt và lực Phk [10].
Gọi


Pc

Pi
i 1

(N)

Trong đó:
n - Số hạt mài đồng thời tham gia cắt.
Pi - Lực cắt tác dụng lên một hạt mài.
Pc - Lực cắt tổng hợp khi mài.
Lực tổng hợp Pc đƣợc chia thành 3 thành phần :

(1.3)


11

Pc

Trong đó:

  
P z P y Px

(1.4)

Pz - Thành phần lực tiếp tuyến.
Py - Thành phần lực pháp tuyến.
Px - Thành phần lực dọc theo phƣơng chạy dao.

.
d .D

1 k
2

.S d2 k .B k

1

(N)

(1.5)

Trong đó A và k là các hệ số mũ xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc
vào điều kiện gia công cụ thể. Từ (1.5) ta thấy: Lực Pz phụ thuộc vào tất cả các yếu tố
khi mài trong đó vd và Sd có ảnh hƣởng lớn nhất tới lực Pz. Chiều sâu cắt thực tế t
ảnh hƣởng tới Pz ít hơn. Khi tăng vd và độ hạt lực Pz giảm.
Khi mài tỷ số lực cắt K đƣợc xác định theo biểu thức:
K

Pz
Py

(1.6)

Hệ số lực cắt K biểu thị tƣơng quan ma sát tại vùng tiếp xúc giữa lƣỡi cắt
và chi tiết gia công.



ôxy hóa bề mặt tùy theo thời gian tác động của nhiệt.
Một phần nhiệt 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 tƣơng tác hóa học xảy ra trong vùng cắt.


13
Để làm giảm ảnh hƣởng của nhiệt, ngƣời ta sử dụng hạt mài, đá... và dung dịch trơn
nguội một cách hợp lý
Hàm lƣợng hợp kim
2%Cr

0,025

12% Cr

0,050

18% w

0,070

2% Mn

0,078

1,1%C

0,102


14
Khác với các phƣơng pháp cắt gọt khác, khi mài bằng đá thƣờng nhiệt độ mài chủ
yếu truyền vào chi tiết gia công (65%

84%), phần còn lại truyền vào đá mài (11%

12%), vào dung dịch trơn nguội (4% 13%) và vào phoi không đáng kể (3% 7%) [4].
Để giảm nhiệt độ mài có thể dùng các biện pháp sau:
- Giảm bớt chế độ cắt.
- Dùng dung dịch trơn nguội và các biện pháp tƣới nguội tiên tiến.
- Sử dụng những loại đá mài có bề mặt làm việc không liên tục, đá mài độ
xốp cao.
- Không mài khi đá quá mòn. Dùng những vật liệu hạt mài có khả năng
cắt gọt cao.
1.1.4. Công suất cắt khi mài
Công suất mài có thể xác định theo công thức:
N

Pz

(1. 8)

d

Mặc dù lực cắt khi mài thƣờng nhỏ (vì tiết diện phoi cắt bé) nhƣng công suất
mài lại lớn do tốc độ cắt khi mài rất cao (thƣờng

d

30m / s ).