BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ
ĐẾN MÒN ĐÁ VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI MÀI ĐỊNH
HÌNH RÃNH TRÒN XOAY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ
ĐẾN MÒN ĐÁ VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA CHI TIẾT KHI MÀI
ĐỊNH HÌNH RÃNH TRÒN XOAY

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. VŨ TOÀN THẮNG
2. PGS.TS. NGUYỄN VIẾT TIẾP

Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty cổ phần Cơ khí Phổ Yên đã giúp đỡ tôi trong quá
trình thực nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kinh tế Kỹ thuật Công
nghiệp, Ban lãnh đạo Khoa Cơ khí đã tạo điều kiện về chế độ, thời gian, công việc giúp tôi
hoàn thành nhiệm vụ.
Cuối cùng xin cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã chia sẻ, động viên giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, Ngày … tháng … năm 2018
Tác giả luận án

Nguyễn Anh Tuấn


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ............................................................................................................................ I
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... IV
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................................V
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. IX
MỞ ĐẦU...............................................................................................................................1
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án .........................................................................................1
2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ........................................2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................................2
4. Những đóng góp mới .......................................................................................................3
5. Cấu trúc của luận án .......................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀI ĐỊNH HÌNH ........................................................5
1.1. Đặc điểm chung của quá trình mài định hình ...........................................................5
1.2. Các phương pháp mài định hình.................................................................................8
1.3. Các đại lượng đặc trưng của quá trình mài định hình rãnh tròn xoay .................12
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ..............................................................14

3.1.3. Các đại lượng đầu ra ..............................................................................................56
3.1.4. Các đại lượng cố định.............................................................................................57
3.1.5. Các đại lượng nhiễu................................................................................................57
3.2. Điều kiện thực nghiệm ...............................................................................................57
3.2.1. Máy mài định hình ..................................................................................................57
3.2.2. Phôi thực nghiệm ....................................................................................................60
3.2.3. Đá mài .....................................................................................................................61
3.3. Các thiết bị đo .............................................................................................................61
3.4. Thiết kế, chế tạo hệ thống đo khí nén để đo mòn đá khi mài định hình rãnh lăn
vòng trong ổ bi ...................................................................................................................63
3.4.1. Nguyên lý của phương pháp đo mòn đá bằng hệ đo khí nén.................................63
3.4.2. Tính toán thiết kế hệ đầu đo khí nén để đo mòn đá khi mài định hình rãnh lăn vòng
trong ổ bi ...........................................................................................................................69
3.4.3. Xây dựng đường đặc tính động của hệ thống đo khí nén ......................................75
3.4.4. Đặc điểm của dòng khí nén xung quanh đá mài đang quay khi mài định hình rãnh
lăn vòng trong ổ bi ............................................................................................................81
3.4.5. Giải pháp thu nhận và xử lý tín hiệu đo để đo trực tuyến độ mòn của đá mài khi
mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi............................................................................83
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ..................................................................................................93

II


CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN MÒN ĐÁ, CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA CHI TIẾT KHI MÀI
ĐỊNH HÌNH RÃNH TRÒN XOAY...................................................................................94
4.1. Xác định phương pháp tiến hành thực nghiệm .......................................................94
4.2. Thực nghiệm kiểm chứng khả năng làm việc của hệ thống thí nghiệm ................94
4.2.1. Trình tự các bước tiến hành thí nghiệm .................................................................94
4.2.2. Kết quả thực nghiệm ...............................................................................................97


Đơn vị

Vs

Tốc độ của đá mài

m/s

Vw

Tốc độ của chi tiết

m/ph

ds

Đường kính đá mài

mm

dw

Đường kính chi tiết

mm

Shk

Lượng chạy dao hướng kính


N

Ra

Sai lệch profin trung bình cộng

m

Hz

Lượng mòn của đá mài

m

O

Độ ô van

m

GA

Giải thuật di truyền

HTCN

Hệ thống công nghệ

GSTT

bạc ổ bi cầu định vị trên các giá đỡ cố định ........................................................................ 17
Hình 1.15. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm mài định hình trên máy mài phẳng để đánh giá khả
năng cắt gọt của đá mài CBN .............................................................................................. 20
Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý và hệ thống thí nghiệm đo diện tích mòn phẳng của đá bằng máy
ảnh CCD camera.................................................................................................................. 20
Hình 1.17. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đo mòn đá khi mài phẳng bằng cách sử dụng một micromet
không khí để đo sự thay đổi vận tốc của luồng không khí xung quanh đá mài đang quay ....... 21
Hình 1.18. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đo mòn đá khi mài phẳng bằng cách sử dụng một ống
Pilot để đo sự thay đổi vận tốc của luồng không khí xung quanh đá mài đang quay ............... 21
Hình 1.19. Sơ đồ nguyên lý đo mòn đá khi mài phẳng bằng hệ đầu đo khí nén ................. 21
Hình 1.20. Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết với thành phần lực tiếp tuyến riêng ..... 22
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý đo mòn đá bằng đầu đo laze trên máy mài tròn ngoài ............ 24
Hình 1.22. Đồ thị quan hệ giữa tuổi bền của đá mài với chế độ công nghệ mài ................. 24
Hình 1.23. Đồ thị quan hệ giữa độ nhám Ra với chế độ công nghệ mài tại thời điểm t=1 phút....24
Hình 1.24. Sơ đồ nguyên lý và kết cấu hệ thống đo mòn đá mài bằng đầu đo khí nén trên
máy mài phẳng .................................................................................................................... 25
Hình 1.25. Hình ảnh hệ thống đo mòn đá mài bằng đầu đo khí nén trên máy mài phẳng ..... 26
Hình 1.26. Sơ đồ đo lượng mòn của đá mài khi mài phẳng bằng mặt trụ của đá................ 26
Hình 1.27. Hệ thống giám sát mòn đá và cảnh báo online giới hạn sửa đá khi mài phẳng.... 27
Hình 2.1 Mô hình tổng quát của quá trình mài định hình rãnh tròn xoay ...........................31
Hình 2.2. Profin bề mặt chi tiết sau khi mài định hình ........................................................ 32
Hình 2.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ngang đến độ nhám bề mặt của chi tiết khi mài
định hình rãnh tròn xoay...................................................................................................... 33

V


Hình 2.4. Ảnh hưởng của thời gian mài tới độ nhám bề mặt .............................................. 35
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến các đại lượng đặc trưng của quá trình mài và kết quả
mài ....................................................................................................................................... 36

Hình 3.11. Đường đặc tính của chuyển đổi khí nén ............................................................ 67
Hình 3.12. Sơ đồ hệ thống đo khí nén ................................................................................. 69
Hình 3.13. Kết cấu của đột thắt d1 ....................................................................................... 72
Hình 3.14. Kết cấu của đầu đo d2 ........................................................................................ 72
Hình 3.15. Kết cấu của hệ đo khí nén.................................................................................. 73
Hình 3.16. Sơ đồ hệ thống đo khí nén để đo mòn đá tại 2 điểm khác nhau trên biên dạng
cung cong làm việc của đá mài khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi cầu ................ 74

VI


Hình 3.17. Hình ảnh thực tế của hệ thống đo khí nén sau khi được gá lắp lên trên máy mài
định hình đường lăn 3MK136B ........................................................................................... 76
Hình 3.18. Sơ đồ và đồ họa 3D của hệ thống thí nghiệm đo mòn đá khi mài định hình rãnh
lăn vòng trong ổ bi 6208 ...................................................................................................... 77
Hình 3.19. Đường đặc tính động của hệ đo khí nén trên toàn miền từ 0÷4 bar sau khi
được gắn lên trên máy mài đo mòn tại điểm đỉnh và điểm mép của biên dạng cung cong
đá mài ........................................................................................................................ 80
Hình 3.20. Đường đặc tính động của hệ đo khí nén trên miền làm việc thực của đầu đo sau
khi được gắn lên trên máy mài đo mòn tại điểm đỉnh và điểm mép của biên dạng cung cong
đá mài .................................................................................................................................. 80
Hình 3.21. Hình ảnh mô tả dòng khí chảy xung quanh một viên đá mài đang quay........... 81
Hình 3.22. Sự thay đổi áp suất của buồng đo trong quá trình mài một chi tiết ................... 82
Hình 3.23. Sơ đồ kết cấu của hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu đo trực tuyến lượng mòn
đá mài khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi ứng dụng hệ thống đo khí nén............. 84
Hình 3.24. Khung truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và module ADS1256 ........................ 85
Hình 3.25. Cấu hình module ADS1256 sử dụng 2 đầu vào analog ..................................... 86
Hình 3.26. Hình ảnh sơ đồ đấu dây vi điều khiển STM32F4 với ADC .............................. 87
Hình 3.27. Sơ đồ khối lấy dữ liệu ........................................................................................ 88
Hình 3.28. Xây dựng đường đặc tuyến giữa áp suất và điện áp analog dựa trên phương pháp

mài ứng với bộ thông số chế độ công nghệ thứ ba ............................................................ 104
Hình 4.12. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lượng mòn Hz với các biến vào Shk ,Vct ............ 120
Hình 4.13. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lượng mòn Hz với các biến vào Shk ,t ................ 120
Hình 4.14. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lượng mòn Hz với các biến vào Shk, Nct ............ 120
Hình 4.15. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa nhám bề mặt chi tiết Ra với các biến vào Shk,Vct .... 120
Hình 4.16. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa nhám bề mặt chi tiết Ra với các biến vào Shk, t . 121
Hình 4.17. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa nhám bề mặt chi tiết Ra với các biến vào Shk, Nct ... 121
Hình 4.18. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ ô van O với các biến vào Shk,Vct ................... 121
Hình 4.19. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ ô van O với các biến vào Shk,t ...................... 121
Hình 4.20. Sơ đồ các bước xây dựng bài toán tối ưu khi mài định hình rãnh lăn vòng trong
ổ bi 6208 ............................................................................................................................ 123
Hình 4.21. Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu chế độ công nghệ khi mài định hình ứng dụng giải
thuật di truyền .................................................................................................................... 128
Hình 4.22. Đồ thị kết quả tối ưu hóa chế độ công nghệ và thời điểm sửa đá bằng GA ứng với
lần chạy 1 ........................................................................................................................... 130
Hình 4.23. Đồ thị kết quả tối ưu hóa chế độ công nghệ và thời điểm sửa đá bằng GA ứng với
lần chạy 2 ........................................................................................................................... 130
Hình 4.24. Sơ đồ cấu trúc chung của một hệ thống giám sát trực tuyến ........................... 131
Hình 4.25. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển thích nghi ........................................ 132
Hình 4.26. Sơ đồ chức năng đề xuất cho hệ thống giám sát trực tuyến mòn đá và độ nhám
bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh lăn vòng trong ổ bi ............................................... 132
Hình 4.27. Mô hình GSTT mòn đá và độ nhám bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh lăn
vòng trong ổ bi .................................................................................................................. 133
Hình 4.28. Xây dựng đường đặc tuyến giữa độ mòn của đá mài và độ nhám bề mặt chi tiết .... 134
Hình 4.29. Lưu đồ thuật toán chương trình xử lý dữ liệu.................................................. 134
Hình 4.30. Giao diện phần mềm sau khi mài 30 chi tiết đối với cả hai hệ đầu đo đo mòn ở
mép và ở đỉnh của biên dạng cung cong đá mài ................................................................ 135
Hình 4.31. Đồ thị thể hiện sự thay đổi giá trị áp suất buồng đo theo thời gian mài sau khi mài
30 chi tiết đối với cả hai hệ đầu đo đo mòn ở mép và ở đỉnh của biên dạng cung cong làm việc
đá mài................................................................................................................................. 136

và cấp độ nhám bề mặt cao. Trong tổng số các máy công cụ hiện đang sử dụng của ngành
chế tạo máy nói chung thì máy mài chiếm tới 30%, còn riêng trong ngành chế tạo ổ bi thì
máy mài chiếm đến 60% [19]. Đặc biệt mài định hình rãnh lăn tròn xoay là một trong những
nguyên công chính thường được áp dụng khi gia công chế tạo các chi tiết vòng bạc ổ bi. Do
đó, mài nói chung và mài định hình nói riêng là một trong những nguyên công quan trọng
nhất quyết định đến chất lượng sản phẩm.
Vì vậy, cho đến nay đã có nhiều các công trình nghiên cứu về mài được thực hiện
bởi các nhà khoa học ở các trường đại học, viện nghiên cứu và các doanh nghiệp trong
nước cũng như trên thế giới. Khi nghiên cứu về mài các nhà nghiên cứu tập trung giải
quyết các vấn đề liên quan đến máy mài, đá mài, chi tiết mài cũng như chế độ cắt khi
mài, nhiệt cắt khi mài và dung dịch tưới nguội. Tuy nhiên các nghiên cứu trước đây chủ
yếu thực hiện nghiên cứu với trường hợp mài phẳng hoặc mài tròn ngoài, mà chưa có
nhiều những nghiên cứu chuyên sâu đối với trường hợp mài định hình rãnh tròn xoay.
Trong khi mài định hình có những đặc điểm khác biệt so với các phương pháp mài thông
thường.
Khi thực hiện nguyên công mài định hình, do chiều dài tiếp xúc giữa đá mài và phôi
lớn nên lực cắt và nhiệt cắt sinh ra từ quá trình này lớn hơn nhiều so với các phương pháp
mài thông thường. Cùng với đó là lực ma sát rất lớn giữa đá mài với phôi, giữa phoi và đá
mài nên đá mài khi mài định hình bị mòn liên tục và không đều trên các tiết diện khác
nhau, làm cho hình dạng và độ chính xác ban đầu của đá mài rất nhanh bị thay đổi, dẫn
đến sai lệch của bề mặt gia công. Sau một khoảng thời gian gia công nhất định, khi đá mài
bị mòn quá một giới hạn cho phép thì cần thực hiện quá trình sửa đá. Việc sửa đá này nhằm
khôi phục khả năng cắt và khôi phục lại hình dạng ban đầu của đá mài. Tuy nhiên, vấn đề
quan trọng ở đây là cần xác định được thời điểm sửa đá hợp lý. Điều này sẽ quyết định đến
chất lượng bề mặt của chi tiết mài và tuổi bền của đá mài. Vì vậy, để nâng cao hiệu quả
kinh tế kỹ thuật của quá trình mài định hình rãnh tròn xoay thì cần phải đo được lượng
mòn của đá mài, đánh giá được ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ quan trọng đến
mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết mài, từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu và
thời điểm sửa đá hợp lý. Đây cũng chính là lý do mà đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của
một số yếu tố công nghệ đến mòn đá và chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài định hình