1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Mục tiêu của công nghệ chế tạo sản phẩm cơ khí hiện đại là nâng cao độ chính xác và năng suất
gia công, giảm lượng dư gia công, từ đó giảm được giá thành của sản phẩm. Với xu hướng này,
song song với việc đầu tư nghiên cứu để tối ưu quá trình gia công cắt gọt, nghiên cứu tối ưu thông
số hình học dụng cụ cắt là một hướng đi khả thi và có hiệu quả cao. Với ý nghĩa này, đá mài xẻ rãnh
- một cải tiến của đá mài truyền thống đã được các nhà khoa học nghiên cứu nhằm khắc phục các
nhược điểm của đá mài truyền thống như: năng lượng tiêu hao lớn, khả năng thoát phoi kém, lực cắt
và nhiệt cắt quá trình gia công lớn gây ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công và năng
suất gia công.
Đã có rất nhiều các nghiên cứu về mài theo hai hướng hàn lâm và thử nghiệm. Đáng chú ý, thị
trường về mài đã tiêu tốn hàng tỷ đồng vào năm 2015 và có tối đa 15.000 các bài báo và tạp chí về
vấn đề này [27]. Tác giả Eiji nghiên cứu về lý thuyết quá trình gia công vật liệu và gia công bằng
hạt mài [20] đã phân tích cho thấy: lực sinh ra khi mài là một thông số quan trọng để đánh giá khả
năng cắt gia công của đá. Tác giả Xiaorui Fan and Michele H. Miller[21] [22]đã nghiên cứu và
phân tích về khả năng giảm lực cắt và mòn của đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn. Tác giả
V.G.Guses[36]đã chỉ ra được ảnh hưởng của số gián đoạn trên bề mặt làm việc của đá cũng như các
sai số về kích thước dưới tác dụng của sự mất cân bằng đá. Tác giả D. X. Jin and Z. Meng[18]
nghiên cứu đã cho thấy lực mài của đá mài xẻ rãnh giảm 30% so với đá mài thường trong khi chất
lượng bề mặt được gia công không cải thiện nhiều. Nghiên cứu này đã giải thích nguyên nhân giảm
lực cắt là do chiều dài tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công hơn nữa phoi dễ thoát ra ở khu vực
cắt tại vị trí xẻ rãnh. Tác giả T. Nguyen, L. C. Zhang[30] đã nghiên cứu các hiện tượng hạt mài sắp
xếp bề mặt của đá mài mang tính ngẫu nhiên, thậm chí cả mài mòn. Tính ngẫu nhiên này do quy
trình sản xuất như trộn hạt mài với chất kết dính, ép và thiêu kết. Điều này, có thể dẫn đến khó khăn
khi giải phóng lượng nhiệt sinh ra trong suốt quá trình mài, vì 60% dung dịch trơn nguội không thể
tiếp cận được khu vực cắt [5÷9]. Chính các khó khăn này là nguyên nhân dẫn đến hư hỏng bề mặt
(hạt mài mất khả năng tự mài sắc và phoi bị kẹt cứng ở lỗ xốp) [8] [9].
Để giảm tính ngẫu nhiên và cải thiện dung dịch trơn nguội vào vùng mài một cách có hiệu quả,
đá mài xẻ rãnh đã được nghiên cứu. Bằng cách xẻ rãnh, khu vực tiếp xúc giữa đá và chi tiết được
làm nguội ổn định có nghĩa là có thể can thiệp để giảm sự ngẫu nhiên của các hạt mài trong quá
trình mài.
Khả năng cắt của đá mài có thể xác định qua một số chỉ tiêu như: chất lượng chi tiết gia công,
lực cắt, nhiệt sinh ra khi mài, rung động, năng suất cắt… Trong các chỉ tiêu trên lực cắt là chỉ tiêu
cơ bản đặc trưng cho bản chất vật lý của quá trình mài, lực cắt ảnh hưởng lớn đến sự mài mòn của
đá, đến biến dạng đàn hồi và tiếp xúc của hệ thống công nghệ, đến rung động. Còn nhiệt cắt là chỉ
2
tiêu ảnh hưởng đến sai lệch kích thước do biến dạng nhiệt chi tiết gia công. Có thể nói lực cắt và
nhiệt cắt trong quá trình mài là chỉ tiêu cơ bản ảnh hưởng đến sai lệch hình dạng kích thước.
Nâng cao khả năng cắt của đá mài là một trong những vấn đề rất quan trọng của chuyên ngành
công nghệ chế tạo máy nhằm tạo ra các sản phẩm, thiết bị, máy móc đạt độ chính xác và tuổi thọ
cao, đảm bảo hiệu quả kinh tế kỹ thuật.
Do đó, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề
mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện” làm đề
tài Luận án tiến sĩ.
2. Mục tiêu của luận án
Từ những phân tích ở trên mục tiêu chính của luận án là:
- Đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài
phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện theo phương pháp Taguchi để xác định ảnh hưởng của các thông
số đầu vào: Bước tiến dao dọc (Sd), chiều sâu cắt (t) và số lượng rãnh (Z) xẻ nghiêng trên mặt đá
(chế tạo tại Việt Nam) khi mài phẳng chi tiết từ thép SKD11 đã nhiệt luyện tới độ nhám, độ phẳng
bề mặt chi tiết gia công, sai lệch kích thước, độ song song, năng suất gia công và một số yếu tố khác
như nhiệt cắt, lực cắt, rung động. Từ đó xác định bộ thông số chế độ cắt tối ưu cục bộ theo các chỉ
tiêu riêng biệt, chỉ tiêu tổng hợp và tối ưu đa mục tiêu đáp ứng 02 tiêu chí đầu ra là chất lượng chi
tiết và năng suất gia công khi mài bằng đá mài xẻ rãnh trong điều kiện sản xuất thử nghiệm ở Việt
Nam.
3. Phương pháp nghiên cứu của luận án
3.1 Lý thuyết
- Phương pháp tiếp cận: Kế thừa và phát triển từ kết quả nghiên cứu của các tác giả nghiên cứu
trong nước và trên thế giới.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bản chất vật lý trong quá trình mài, hệ thống, phương pháp đo
các thông số và quy hoạch thực nghiệm.
3.2 Thực nghiệm
Nghiên cứu ảnh hưởng thông số đầu vào (Sd, t) và thông số hình học đá mài Z đến sai lệch về
độ phẳng, độ nhám và các yếu tố lực cắt, nhiệt cắt, rung động, và năng suất gia công khi mài. Từ đó
xác định bộ thông số chế độ cắt tối ưu cục bộ theo các chỉ tiêu riêng biệt, chỉ tiêu tổng hợp và tối ưu
đa mục tiêu đáp ứng 02 tiêu chí đầu ra là chất lượng chi tiết và năng suất gia công khi mài bằng đá
mài xẻ rãnh trong điều kiện sản xuất thử nghiệm ở Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Bốn loại đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam và đá mài truyền thống.
- Vật liệu mài: SKD11 nhiệt luyện có độ cứng 58HRC
3
Phạm vi nghiên cứu: Phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, tiến hành thực
nghiệm với bốn loại đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm và đá mài truyền thống khi mài phẳng vật
liệu SKD11 nhiệt luyện.
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
4.1 Ý nghĩa khoa học
- Luận án đã nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, sử dụng phương pháp
Taguchi để xác định quan hệ giữa bộ thông số: Bước tiến dao dọc (Sd), chiều sâu cắt (t) và số lượng
rãnh (Z) với các thông số đầu ra độ nhám, độ phẳng bề mặt chi tiết gia công, sai lệch kích thước, độ
song song, năng suất gia công và một số yếu tố khác như nhiệt cắt, lực cắt, rung động khi mài
phẳng chi tiết SKD11 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh nghiêng trên mặt đá.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu tra cứu cho cán bộ công nghệ và cơ sở sản xuất
có sử dụng đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện
nhằm mục đích nâng cao chất lượng chi tiết gia công và năng suất gia công với mức chi phí nhỏ
nhất.
- Đưa ra phương pháp xác định bộ thông số tối ưu cục bộ theo, chỉ tiêu tổng hợp theo kết quả
của bài toán tối ưu đa mục tiêu bằng việc sử dụng thiết kế thực nghiệm Taguchi, phân tích quan hệ
Grey và phân tích phương sai (ANOVA) nhăm nâng cao chất lượng chi tiết gia công và năng suất
gia công khi mài bằng đá mài xẻ rãnh trong điều kiện sản xuất thử nghiệm ở Việt nam.
- Đã đề xuất, xây dựng thành công nguyên lý, lựa chọn đồ gá, thuật toán, phần mềm và hệ
thống đo chiều cao, sai lệch về độ phẳng, sai lệch về độ song song, độ nhám bề mặt, lực cắt, nhiệt
sinh ra trong quá trình mài và năng suất mài với yêu cầu cao về độ chính xác gia công của quá trình
công nghệ với độ không đảm bảo đo và độ tin cậy cao của thiết bị và hệ thống đo lường chính xác.
5. Những đóng góp mới
- Kết quả nghiên cứu của luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của thông số hình học của đá
mài Z và thông số chế độ cắt (Sd, t) đến khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo thử
nghiệm tại Việt Nam theo các chỉ tiêu riêng biệt và chỉ tiêu tổng hợp gồm: sai lệch về độ phẳng, độ
nhám bề mặt, nhiệt cắt, lực cắt, rung động và năng suất gia công trong quá trình mài phẳng.
- Tác giả đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thành công bằng việc ứng dụng phương pháp
Taguchi, phân tích quan hệ Taguchi Grey, phân tích phương sai và xây dựng chương trình tính toán
chính xác cho quá trình phân tích phương sai.
- Việc sử dụng thiết bị đo đã được hiệu chuẩn chính xác để đo các chỉ tiêu về hình học, động
học, nhiệt và lực học giúp cho tác giả xác định chính xác các bộ thông số tối ưu đơn mục tiêu, tối
ưu tổng hợp cũng như thông số tối ưu đa mục tiêu.
4
- Luận án đưa ra hướng dẫn về việc lựa chọn bộ thông số tối ưu đối với các chỉ tiêu riêng biệt,
bộ thông số đánh giá chỉ tiêu tổng hợp và tối ưu đa mục tiêu để nâng cao độ chính xác gia công khi
phẳng bằng đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận án gồm các phần: Mở đầu, 4 chương, kết luận chung và phần phụ lục.
Chương 1: Tổng quan về mài phẳng và tình hình nghiên cứu nâng cao khả năng cắt của đá mài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình mài phẳng.
Chương 3: Các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh.
Chương 4: Thực nghiệm, kết quả, phân tích và đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh
nghiêng thử nghiệm theo các chỉ tiêu xác định.
Kết luận chung và Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN
Chương 1 Tổng quan về mài phẳng và tình hình nghiên cứu nâng cao khả năng cắt của đá mài
1.1.1 Giới thiệu về phương pháp mài
Nguyên công mài không chỉ được dùng trong gia công tinh, mà còn được sử dụng khi cần có
năng suất và hiệu quả kinh tế cao. Khi đó, sử dụng mài thô để gia công những chi tiết có trong
lượng 125 tấn, lượng dư 6mm trên những máy mài cỡ lớn có công suất 205kW. Mỗi giờ có thể cắt
được (60-80m/s) và tốc độ quay của chi tiết lớn (360 m/ph). Trong những năm gần đây ở một số
nhà máy đã nâng tốc độ mài lên đến 120m/s và người ta đang tìm mọi biện pháp phấn đấu để đưa
tốc độ mài lên cao hơn nữa (khoảng 300m/s)[1].
Trong quá trình mài, quá trình cắt diễn ra liên tục trên bề mặt đá nhưng không phải tất cả các
hạt mài đều tham gia vào quá trình mài. Các hạt mài có lưỡi cắt không xác định, được phân bố một
cách ngẫu nhiên không theo quy luật và “hỗn độn” trên bề mặt làm việc của đá. Do sự tiếp xúc, cào
xước liên tục của các hạt mài lên bề mặt chi tiết gia công nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình mài
lớn, ảnh hưởng đến khả năng gia công của hạt mài và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.
1.1.2 Đặc điểm của quá trình mài [1]
-Tốc độ cắt khi mài lớn, tiết diện phoi cắt ra bé
- Đá mài là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, gồm các hạt mài liên kết với nhau bằng chất dính
kết. Khi cắt, một số lớn hạt mài có hình dạng, vị trí hoàn toàn khác nhau cùng đồng thời tham gia
cắt. Các góc cắt khi mài không hợp lý: góc trước thường là góc âm và góc cắt thường lớn hơn 900.
- Do tốc độ cắt cao và góc cắt lớn nên khi mài nhiệt độ rất cao (1000÷15000C).
- Dụng cụ mài có lưỡi cắt không liên tục: Các hạt mài nằm tách biệt trên bề mặt làm việc của
dụng cụ và cắt mỗi phoi riêng, do đó có thể xem quá trình mài như một quá trình cào xước liên tục.
- Do không thể thay đổi được vị trí và hình dạng hình học của hạt mài trong đá mài nên việc
điều khiển quá trình mài rất khó khăn.
- Trong quá trình mài, đá mài có khả năng tự mài sắc một phần.
5
Bên cạnh các đặc điểm trên, khi gia công mài do tốc độ cắt cao, góc cắt lớn, góc trước âm nên
mài có nhược điểm như: lực cắt và nhiệt cắt khi mài lớn, khả năng thoát phoi kém nên làm biến
dạng cấu trúc mạng tinh thể và biến đổi các tính chất cơ lý của lớp vật liệu bề mặt gây ra hiện
tượng cháy, nứt tế vi và ứng suất dư bề mặt.
1.1.3 Nhu cầu gia công vật liệu có độ cứng cao
Hiện nay, cùng với theo sự phát triển của khoa học công nghệ, ứng dụng trong quốc phòng, an
ninh, ngành công nghiệp nặng, đặc biệt là ngành cơ khí. Các loại vật liệu có độ cứng cao ngày càng
được sử dụng rộng rãi, một trong các loại vật liệu được sử dụng làm khuôn nguội thông dụng nhất
là vật liệu SKD11 nhiệt luyện với độ cứng 58-60 HRC.
1.3 Tình hình nghiên cứu về đá mài gián đoạn trên thế giới và trong nước
1.3.1 Nghiên cứu đá mài gián đoạn hay đá mài xẻ rãnh trên thế giới
Theo các bằng sáng chế của tác giả [37] [38] đã nghiên cứu việc gắn các thanh mài lên đĩa mài.
Các thanh mài có các hình dạng khác nhau như: hình lăng trụ, lục giác, vòng cung, lập phương, và
các hình dạng khác được dính kết hoặc bắt vít lên trên bề mặt đá (Hình 1.4).
Hình 1.3 Đá mài gián đoạn với các thanh mài (a) hình lăng trụ (b) hình lục giác[37][38]
Hình 1.4 Một số hình dạng cơ bản của đá mài (a) bàn cờ, so le, chéo, và hình V và (b) so le, chéo,
đối xứng và song song;(c) có khoảng cách cắt chân (d) hình côn[26]
Tác giả J.C. Aurich, B. Kirsch[23] cũng cho thấy đá mài xẻ rãnh có khả năng giảm nhiệt tốt
hơn so với các đá mài thường dưới các điều kiện gia công cụ thể.
