Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội

Tác Giả: Cao Văn Biên

Nghiên cứu ảnh hởng của một số
yếu tố công nghệ đến chất lợng
của bề mặt chi tiết khi mài tròn ngoài

Luận văn thạc sĩ khoa học
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Ngời hớng dẫn khoa học
PGS.TS. Tăng Huy

Hà Nội 2010


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, không sao chép của bất cứ công
trình nào khác.
Tác giả

Cao Văn Biên

2


Lời cảm ơn


1.2. quá trình mài
1.2.1. Giới thiệu chung quá trình mài
1.2.2. Quá trình tạo phoi khi mài
1.2.3. Biến đổi cấu trúc lớp bề mặt kim loại mài
1.3.Cấu tạo đá mài
1.3.1. Vật liệu hạt mài
1.3.2. Vật liệu dính kết
1.3.3. Độ hạt của đá mài
1.3.4. Cấu trúc đá mài
1.3.5. Topography của đá mài
1.3.5.Độ cứng của đá mài
1.4. Động học quá trình mài
1.4.1. Quỹ đạo cắt của đá mài
1.4.2. Chiều dài cung tiếp xúc
1.4.3. Lỡi cắt
1.4.4. Chiều dày lớp cắt
1.5. Động lực học quá trình mài
1.5.1. Lực cắt khi mài
1.5.2. Phơng trình cơ bản xác định lực cắt
1.5.3. Xác định lực cắt bằng thực nghiệm
1.5.4. Rung động khi mài
1.6. Mòn đá và tuổi bền của đá
1.6.1. Mòn đá mài
1.6.2. Tuổi bền của đá mài
1.7. Kết luận
Chơng 2. ảnh hởng của các yếu tố công nghệ
tới chất lợng bề mặt chi tiết khi mài
2.1. ảnh hởng của một số yếu tố công nghệ đến
nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết gia công.


43
44
44
44
49
55

57
57


2.1.1. ảnh hởng của lợng chạy dao
2.1.2. ảnh hởng tốc độ quay của chi tiết
2.1.3. ảnh hởng của chiều sâu mài t
2.1.4. ảnh hởng của tốc độ cắt của đá mài
2.1.5. ảnh hởng của lực cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết
gia công
2.1.6. ảnh hởng của dung dịch tới nguội khi mài
2.2. ảnh hởng của độ hạt của đá đến nhấp nhô tế vi
bề mặt chi tiết gia công.
2.3. ảnh hởng của độ mòn đá đến bề mặt chi tiết mài
2.4. ảnh hởng của Topography đá đến nhấp nhô tế vi bề mặt chi
tiết gia công
2.5. Kết luận
Chơng 3. Xây dựng hệ thống thí nghiệm
3.1. Lựa chọn mô hình thí nghiệm
3.1.1. Mô hình thí nghiệm đo lực
3.1.2. Mô hình thí nghiệm đo mòn đá
3.1.3. Các trang thiết bị thí nghiệm khác
3.2. Thiết kế, chế tạo và kết nối hệ thống đo lực cắt

77
77
78
82
83
84
85
87
87
87
89
90
92
94

5


Các ký hiệu chính
Kí hiệu

ý nghĩa

Đơn vị

az

Chiều dày phoi

mm


ha

Chiều cao biên dạng của lỡi cắt

mm

L

Khoảng cách giữa các lỡi cắt động

mm

l

Khoảng cách giữa các lỡi cắt tĩnh

mm

nd

Tốc độ quay của đá

v/ph

nct

Tốc độ quay của chi tiết

v/ph


Sn

Lợng chạy dao ngang khi mài

mm/ph

Svg

Lợng chạy dao vòng

m/ph

Ssđ

Lợng chạy dao dọc khi sửa đá

m/ph

Ra

Chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt (Độ nhám)

àm

T

Tuổi bền của đá

phút

Trang

1

1.1

Độ hạt và phạm vi sử dụng

28

2

1.2

Thể tích hạt mài phân bố theo cấu trúc

29

3

1.3

Kí hiệu độ cứng đá mài

34

Danh mục các hình vẽ

TT


4

1.4

Mô hình quá trình cắt, tạo phoi khi mài của một
hạt mài

5

1.5

21

Sơ đồ mô tả quá trình tạo phoi bằng hạt mài
có bán kính đỉnh cắt p.

22

6

1.6

Cấu trúc của đá mài

30

7

1.7


1.11

Sơ đồ lực cắt khi mài tròn ngoài

40

12

1.12

Mối quan hệ giữa lợng mòn dao với thời gian cắt
khi Tiện

45

13

1.13

Cơ chế mòn đá

46

14

1.14

Các dạng mòn của đá mài

47

58

Vận tốc quay của chi tiết ảnh hởng đến độ nhám bề
mặt chi tiết gia công (Ra)

19

51

59

Chiều sâu mài ảnh hởng đến độ nhám bề
mặt chi tiết gia công (Ra)

60

20

2.4

Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và tốc độ mài

62

21

2.5

Độ nhẵn bề mặt phụ thuộc vào độ hạt của đá


Topygraphy của bề mặt đá và biên dạng 2D
của bề mặt

71

26

3.1

Mô hình thí nghiệm đo lực

74

27

3.2

Đầu đo laze ZX- LD300V và bộ khuếch đại Amplipher

74

28

3.3

Máy mài tròn ngoài GU-20.25A SHIGIYA

75

29


33

3.8

Kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến dạng sử dụng
phần mềm ANSYS

34

3.9

79

Tính toán độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến đo lực
theo phơng Y sử dụng phần mềm Transcalc 1.11

80
80

35

3.10

Kiểm nghiệm độ nhạy của cảm biến theo phơng Y

36

3.11


83

40

3.15

Sơ đồ chức năng thiết bị thu thập tín hiệu từ cảm biến

84

41

3.16

Hệ thống đo lực ghi dữ liệu tự động trên máy tính

85

42

3.17

ảnh hệ thống đo lực hai thành phần trên máy
mài tròn ngoài

43

3.18

85


9


mở đầu
1. Lí do chọn đề tài
Việt Nam đang hội nhập toàn cầu ngày càng sâu trong mọi lĩnh vực, đặc biệt lĩnh
vực kinh tế, khoa học kỹ thuật. Từ đó sự cạnh tranh hàng hoá ngày càng trở nên
khốc liệt.
Năng xuất, chất lợng, giá thành và khả năng đáp ứng nhanh đối với khách hàng
là những yếu tố quyết định sự thành, bại trong cuộc cạnh trang này.
Hiện nay ngành cơ khí đặc biệt là cơ khí công nghệ chế tạo máy ở nớc ta phát
triển còn hạn chế, tính cạnh tranh còn thấp. Hàng năm các doanh nghiệp trong nớc
đã phải nhập khẩu một số lợng lớn các sản phẩm cơ khí nh các chi tiết máy tiêu
tốn nhiều tiền của, ngoại tệ. Trong khi nhiều doanh nghiệp chế tạo, sản xuất cơ khí
mất khả năng cạnh tranh ngay trên thị trờng trong nớc. Một trong những nguyên
nhân dẫn đến tồn tại trên không thể không kể đến yếu tố công nghệ gia công có ảnh
hởng trực tiếp đến chất lợng sản phẩm.
Do vậy, câu hỏi đợc đặt ra là: Làm thế nào để nâng cao chất lợng sản phẩm ?!.
Trong sản xuất cơ khí, nâng cao chất lợng bề mặt chi tiết gia công là một trong
những vấn đề rất quan trọng của ngành công nghệ chế tạo máy nhằm tạo ta các sản
phẩm, máy móc thiết bị đạt độ chính xác, tuổi bền cao đảm bảo hiệu quả về kinh tế
và kỹ thuật. Việc nghiên cứu, ứng dụng các giải pháp công nghệ và phơng pháp gia
công chi tiết máy, đồng thời tìm ra những biện pháp công nghệ mới hoàn thiện hơn
là một nhiệm vụ cấp bách. Một trong những phơng pháp gia công cơ khí, mài là
một phơng pháp gia công có vị trí rất quan trọng. Mài không những áp dụng để gia
công thô mà thờng đợc chọn là phơng pháp gia công tinh, bởi vì mài tạo ra đợc
các chi tiết máy có độ nhẵn, độ chính xác cao, chất lợng bề mặt tốt, gia công đợc
các loại vật liệu có cơ tính cao.
2. Lịch sử nghiên cứu

nghệ cụ thể khác nhau cần đợc khảo sát, nhằm mục tiêu nâng cao chất lợng chế
tạo chi tiết gia công trong quá trình mài.
Hiện nay khi nghiên cứu về mài ngời ta thờng đi vào một số hớng nghiên cứu
nh:
- ứng dụng các công nghệ mới: điều khiển, đo lờng để nghiên cứu tự động hoá
quá trình mài.

11


- Nghiên cứu mở rộng khả năng công nghệ của mài, đa mài thành nguyên công
chính trong công nghệ gia công cắt gọt.
- Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số công nghệ đến chất lợng.
- Nghiên cứu các loại vật liệu chế tạo hạt mài, chất kết dính, .. để nâng cao độ bền
của đá, nhằm nâng cao tốc độ cắt khi mài.
- Nghiên cứu đánh giá Topography của đá.
- Nghiên cứu độ trơn nguội, dung dịch tới và phơng pháp tới hợp lí.
Trong đó nghiên cứu ảnh hởng các yếu tố kỹ thuật tới bề mặt chi tiết gia công khi
mài để có sự lựa chọn, điều chỉnh các thông số công nghệ ứng dụng trong quá trình
gia công nhằm đạt đợc mục tiêu tối u cũng trở nên hết sức cần thiết.
Với lý do trên, khi thực hiện Luận văn với đề tài: Nghiên cứu ảnh hởng của
một số yếu tố công nghệ đến chất lợng bề mặt của chi tiết khi mài tròn ngoài
chủ yếu đề cập tới các vấn đề nghiên cứu nh sự mòn của đá mài, lực mài ảnh
hởng của các thông số công nghệ (sd, t) đến chất lợng bề mặt của chi tiết khi mài
tròn ngoài. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần phong phú thêm những tài liệu tham
khảo trong quá trình nghiên cứu tiếp theo về mài đặc biệt là mài tròn ngoài.
3. Mục tiêu chính của đề tài.
Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số công nghệ (sd, t) và quá trình mòn của đá
mài đến nhám bề mặt của chi tiết gia công trên máy mài tròn ngoài. Xây dựng hệ
thống thí nghiệm.


13


Chơng 1. Giới thiệu tổng quan về chất lợng
bề mặt chi tiết gia công và mài
1.1. Chất lợng bề mặt chi tiết gia công:
Đối với các chi tiết máy, chất lợng bề mặt là một chỉ tiêu rất quan trọng trong
quá trình gia công cần phải quan tâm nhất là ở giai đoạn gia công tinh.
Chất lợng bề mặt chi tiết máy đợc thể hiện thông qua hai nhóm chỉ tiêu đó là
các chỉ tiêu hình học và tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt. Các thông số hình
học đánh giá chất lợng bề mặt bao gồm sai số hình dáng hình học với những đại
lợng đặc trng nh độ nhám, độ sóngvv. Quá trình gia công có thể ảnh hởng,
thay đổi tính chất cơ lý lớp kim loại bề mặt bao gồm độ biến cứng, chiều sâu lớp
biến cứng, độ lớn và chiều của ứng suất d.
Bề mặt chi tiết sau khi gia công không bằng phẳng, chính xác một cách lý tởng
mà có những thông số đặc trng về sai số hình dáng hình học là độ ô van, độ đa
cạnh, độ côn, độ tang trống, độ yên ngựa, độ sóng; sai số bề mặt tế vi (độ nhám, độ
sóng bề mặt) đợc đánh giá bằng các chỉ tiêu đó là sai lệch profin trung bình Ra và
chiều cao nhấp nhô theo 10 điểm tiêu biểu Rz. Những nhấp nhô này là kết quả của
quá trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết gia công cắt gọt, là vết lỡi cắt trên bề
mặt gia công, là ảnh hởng của rung động trong quá trình cắt và nhiều nguyên nhân
khác. Độ sóng, độ nhám bề mặt thờng là các yêú tố đợc đề cập nhiều nhất để
đánh giá chất lợng bề mặt chi tiết máy.
Quá trình gia công ít nhiều cũng làm thay đổi tính chất cơ lí bề mặt gia công. Tính
chất cơ lý đợc biểu thị bằng độ cứng bề mặt, sự biến đổi cấu trúc tinh thể lớp bề
mặt, chiều sâu biến cứng bề mặt. Trong quá trình gia công dới tác dụng của lực cắt
làm xô lệch mạng tinh thể của kim loại lớp bề mặt, gây biến dạng dẻo ở vùng trớc
và vùng sau lỡi cắt làm cho kim loại lớp bề mặt bị cứng nguội, chắc lại và có độ
cứng tế vi cao. Lớp biến cứng bề mặt có tác dụng nâng cao tính chống mòn vì nó

các vết nhấp nhô) và các tính chất cơ lý của lớp bề mặt (biến cứng, biến đổi cấu trúc,
ứng suất d...) Đại lợng nhấp nhô tế vi khi mài phụ thuộc vào chế độ mài, chất
lợng đá mài, trình trạng kỹ thuật của máy, dung dịch tơí nguội và nhiều yếu tố
khác.
Để đánh giá chất lợng bề mặt chi tiết sau khi mài tinh cần đánh giá tổng hợp
nhiều chỉ tiêu nh đã nghiên cứu ở trên tuy nhiên trong phạm vi đề tài này chỉ tập
trung đánh giá một chỉ tiêu mà có thể đo đợc chính xác đó là độ nhấp nhô tế vi bề
mặt chi tiết mài.

15


Độ nhám bề mặt chi tiết mài là tập hợp tất cả nhấp nhô tế vi bề mặt mài, toàn bộ
các vết đợc tạo ra bởi lỡi cắt của đá mài, những bề lồi, lõm với bớc cực nhỏ và
quan sát đợc trên một khoảng cách ngắn tiêu chuẩn. Hình dạng và kích thớc của
các vết này là ngẫu nhiên. Độ nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết mài phụ thuộc vào sự
phân bố của các hạt mài trên đá mài và quá trình động học, mức độ biến dạng dẻo
khi cắt, chế độ cắt, đặc tính đá, chế độ trơn nguội, độ cứng vững của máy.
Giản đồ bề mặt nhấp nhô (hình 1.1) đợc mô tả phóng đại những sai lệch tế vi để
giúp chúng ta đánh giá đợc độ nhám bề mặt. Đờng trung bình prôfin của độ nhấp
nhô bề mặt này là đờng cơ sở, để xác định số lợng trị số nhấp nhô và vị trí, tổng
diện tích hai phía từ đờng kính trung bình tới prôfin phải bằng nhau, tức là:
F1+F3+...+ Fn-1 =E2+F4 +...+Fn

(1.1)

Cấp nhấp nhô bề mặt tuỳ thuộc vào chiều dài đờng cơ sở 1. Tiêu chuẩn đánh giá
sai lệch hình học tế vi của bề mặt dựa trên hai thông số sau:
- Sai lệch trung bình số học của prôfin Ra :
1

max


i =1

5

16

H

min

(1.3)


Hình 1.1. Giản đồ nhấp nhô bề mặt

1.2. quá trình mài
1.2.1. Giới thiệu chung quá trình mài
* Đặc điểm về cơ chế mài
Mài là một phơng pháp gia công cắt gọt. Các lỡi cắt tham gia cắt gọt là những
hạt mài rất bé của đá mài. Quá trình cắt vật liệu khi mài diễn ra nhờ quá trình tạo
phoi nh các quá trình gia công khác. Quá trình đó diễn ra do sự xâm nhập của hạt
mài vào vật liệu chi tiết sau đó tạo phoi. Chiều sâu xâm nhập của hạt mài vào vật
liệu chi tiết mài phụ thuộc vào cấu trúc hình học bề mặt đá, chuyển động của đá và
chi tiết. Các lỡi cắt là các hạt mài có hình dáng, kích thức khác nhau và đợc xếp
xắp một cách ngẫu nhiên trên bề mặt đá do đó các vết cắt xoá lẫn nhau nên có thể
tạo ra đợc các bề mặt sau khi mài có độ bóng cao. Vì vậy, Mài thờng đợc chọn
là một phơng pháp gia công tinh. Bằng phơng pháp mài, có thể gia công đợc chi

Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những đòi hỏi về độ
chính xác và chất lợng gia công ngày một cao thì mài càng đợc quan tâm nghiên
cứu và đợc sử dụng rộng rãi hơn.
* Mô hình quá trình mài:
Trên hình 1.2. Biểu diễn sơ đồ mài tròn ngoài. Hình 1.2.a. Sơ đồ mài tròn ngoài
tiến dao hớng kính. Hình 1.2.b. Sơ đồ mài tròn ngoài tiến dao dọc.
- Chuyển động chính là chuyển động quay tròn của đá mài vđ
- Chuyển động phụ bao gồm:
+ Chuyển động quay của phôi vp.
+ Chuyển động tiến dao dọc sd.
+ Chuyển động tiến dao ngang sn.

18


V
S

V

H×nh 1.2.a.

S

V

V

S
H×nh 1.2.b

Vct
Chi tiết

Chi tiết

Hình 1.4. Mô hình quá trình cắt, tạo phoi khi mài của một hạt mài.
Song quá trình mài có những đặc thù riêng, tơng đối khác biệt với quá trình cắt
bằng dụng cụ kim loại nh phay.
Những khác biệt ấy bao gồm:
- Các lỡi cắt của hạt mài tham gia cắt không liên tục.
- Lớp kim loại đợc cắt bởi một hạt mài có sự phụ thuộc về quan hệ chiều rộng
và có cung lợn bán kính R.
- Hạt mài phân bố không có quy luật trên bề mặt của trụ đá.

21


- Tốc độ cắt cao, có nhiều lỡi cắt cùng tham gia đồng thời trong vùng cắt
(vùng tiếp xúc giữa bề mặt đá và bề mặt gia công).
- Các lỡi cắt của hạt đá mài có độ cứng, bền nhiệt, độ giòn rất cao.
- Do có nhiều lỡi cắt cùng tham gia cắt gọt nên nhiệt cắt lớn, nhiệt độ vùng cắt
cao.
- Có hiện tợng trợt giữa hạt mài và kim loại trớc khi cắt gọt.

Hình 1.5. Sơ đồ mô tả quá trình
tạo phoi bằng hạt mài có bán kính đỉnh cắt p
Dới áp lực mỗi lúc mỗi tăng từ hạt mài lên bề mặt gia công làm tăng quá trình
biến dạng dẻo và nhiệt độ tăng làm cho kim loại mài bị mềm hơn. Độ sâu của lớp
cắt đợc giá trị a sẽ xuất hiện tạo phoi nh vậy quá trình làm việc của bất kỳ hạt mài
nào trên chiều dài cung tiếp xúc giữa đá mài và phoi đều đợc chia thành các giai

lợng lớn các hạt đa tinh thể đợc xếp theo những trật tự khác nhau về kích thớc.
Chúng liên kết với nhau tạo thành khối rất bền vững về cơ học. Bề mặt các kim loại
đa tinh thể liên kết với nhau bằng những lớp tinh thể nhỏ và khi bị phá huỷ có
phơng rất khác nhau.
Khi gia công kim loại bằng phơng pháp cắt gọt sẽ xuất hiện biến dạng dẻo trên
lớp mỏng ở bề mặt, lan toả sang các vùng lân cận nằm dới lớp bề mặt gia công.
Quá trình biến dạng dẻo phát sinh theo hớng trợt tức là làm dịch chuyển một lớp
tinh thể này theo mặt phẳng liên kết tinh thể nhất định nào đó. Cũng có thể nói rằng
quá trình trợt là sự dịch chuyển của một lớp nguyên tử này so với lớp nguyên tử
kia, dới tác dụng của lực biến dạng (tức là dới sự tác dụng của lực cắt).
Sự trợt bắt đầu khi xuất hiện ứng suất trợt đủ lớn để gây trợt. Quá trình biến
dạng dẻo xảy ra sau biến dạng đàn hồi, sức lan toả hầu nh bằng tốc độ âm thanh
(với thép khoảng 5130m/s), nhng để xuất hiện biến dạng dẻo đảm bảo cho các hạt

23


tinh thể dịch chuyển đợc cần có nhiều thời gian hơn. Bởi vậy ở tốc độ biến dạng
cao xuất hiện dạng dẻo cục bộ tại chỗ. Biến dạng dẻo cũng đợc hiểu nh biến dạng
giữa các tinh thể, trong đó một số hạt này dịch chuyển tơng đối với một số hạt
khác. Chính những sự dịch chuyển này không lớn, nhng cũng đủ để gây phá huỷ
đờng biên của hạt, cuối cùng phá huỷ kim loai.
Khi cắt kim loại bằng hạt mài kim loại ở lớp ngoài cùng vị kéo chảy theo hớng
tác dụng của lực cắt. Các tinh thể về cơ bản đợc sắp xếp theo hớng của sơ đồ
mạng tinh thể, tơng tự sắp xếp của các hạt nhỏ theo hớng biến dạng gọi là vân
kim loại. Nh vậy khi biến dạng dẻo xuất hiện những hiện tợng sau:
- Thay đổi hình dáng hạt.
- Thay đổi vị trí hạt và tạo thành vân
- Hình thành ứng suất d
- Phát sinh tự phá huỷ bên trong mạng tinh thể và phá huỷ liên kết giữa các mạng

thành một thể nguyên khối bằng những chất kết dính.
Những vật liệu hạt mài sử dụng để chế tạo dụng cụ từ hạt mài là các loại vật liệu
nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, mà chúng có độ cứng lớn và khả năng cắt gọt
cao.
Các vật liệu hạt mài sử dụng để chế tạo các dụng cụ thờng đợc phân thành hai
nhóm: Tự nhiên và nhân tạo. Nhóm vật liệu tự nhiên bao gồm các khoáng chất sau:
Kim cơng tự nhiên, thạch anh, đá lửa, granat, Coranh đông, Các bua Silic, Với
loại vật liệu nhân tạo bao gồm: Kim cơng, Nitrit bo ở dạng mạng lập phơng thể
tâm (CBN), Co ranh đông điện, Các bit silic, Các bit bo, Oxyt nhôm..
Kim cơng tự nhiên (A) là một biến thể của cacbon, Nó có độ cứng cao nhất trong
số các loại vật liệu mài tự nhiên và nhân tạo đã biết hiện nay. Tuy nhiên kim cơng
giòn. Kim cơng thờng đợc xác định khối lợng theo cara (01 cara = 200
miligam).
Kim cơng nhân tạo (A.C). Để tổng hợp kim cơng nhân tạo, ngời ta sử dụng các
vật liệu có chứa cacbon kết hợp với một số chất xúc tác. Vật liệu cơ bản thờng
đợc dùng là graphit. đôi khi ngời ta còn dùng cả than củi. Vật liệu xúc tác thờng
dùng là kim loại (crôm, niken, sắt, côban và một vài kim loại khác). Dới tác động
của nhiệt độ và áp suất cao kim cơng nhân tạo sẽ đợc hình thành.
Côranh đông điện có hai loại: Côranh đông điện thờng (1A), đợc thiêu kết từ
bốcxít và các biến thể của nó nh 12A,13A,14A,15A,16A. Côranh đông điện trắng
(2A) đợc thiêu kết từ ôxit nhôm và các biến thể của nó 22A,23A,24A, 25A.

25