Mục đích nghiên cứu
Tối ưu hóa chế độ cắt, bao gồm tốc độ quay của trục chính, lượng chạy dao và chiều sâu cắt, là rất quan trọng trong quá trình mài tròn ngoài trên thép SKS3 Mục tiêu là đảm bảo năng suất cao đồng thời duy trì chất lượng độ nhám bề mặt của chi tiết gia công.
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là quá trình mài tròn ngoài trên thép SKS3 trước khi nhiệt luyện
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt, bao gồm số vòng quay của trục chính, lượng chạy dao và chiều sâu cắt, đến chất lượng bề mặt mài của vật liệu SKS3 trên máy mài tròn ngoài Nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối cùng trong quá trình mài.
Ứng dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) và thực nghiệm để tối ưu hóa quá trình nghiên cứu Sử dụng ma trận sang lọc Box-Behnken và phương án cấu trúc có tâm (CCD) nhằm thiết kế thí nghiệm hiệu quả Kết quả thí nghiệm được xử lý bằng phần mềm Minitab và MATLAB để phân tích và rút ra kết luận chính xác.
5 Cấu trúc của luận văn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Xây dựng một số mô hình toán học khi mài tròn ngoài thép SKS3
Chương 4: Thực nghiệm mài trên thép SKS3
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Nghiên cứu phương pháp cắt nhằm tối ưu hóa quá trình sản xuất và nâng cao chất lượng bề mặt khi mài thép SKS3 trên máy mài tròn ngoài có ý nghĩa khoa học quan trọng Hoàn thành luận văn sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng vào thực tiễn sản xuất, giúp điều khiển quá trình mài tròn ngoài, từ đó đạt được chất lượng sản phẩm tốt với chi phí sản xuất thấp khi mài thép SKS3.
1.1 Giới thiệu về phương pháp mài tròn ngoài
Máy mài tròn là thiết bị cắt gọt đa năng, chuyên gia công tinh các bề mặt trụ ngoài với độ chính xác cao về hình dáng, kích thước và độ nhẵn bóng Phương pháp mài tròn ngoài cho phép gia công chính xác các bề mặt hình trụ và hình côn bên ngoài, đạt được độ bóng cao từ nhiều loại vật liệu khác nhau.
Có nhiều loại máy mài tròn ngoài tùy theo yêu cầu kỹ thuật và điều kiện công nghệ
Các kiểu máy mài tròn ngoài bao gồm máy mài có tâm và máy mài không tâm, máy mài dụng cụ cắt
Yêu cầu đối với chi tiết gia công tinh trên máy mài tròn vạn năng là đạt độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao, do đó cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt.
Đảm bảo độ chính xác về kích thước
Đạt độ đồng tâm giữa các bề mặt trụ với đường tâm chi tiết
Đảm bảo độ sai lệch về hình dạng hình học, độ côn, độ ô van…trong phạm vi cho phép
Độ nhẵn bóng bề mặt
1.2 Quá trình cắt gọt khi mài
Quá trình cắt gọt chi tiết sử dụng dụng cụ cắt là đá mài, tạo ra nhiều phoi vụn do sự cắt và cà miết của các hạt mài vào vật gia công.
Hình 1.1: Là hình dạng lớp cắt của một hạt mài
Mài có những đặc điểm khác với những phương pháp gia công cắt gọt khác như tiện, phay, bào như sau
Đá mài là một công cụ cắt đặc biệt, được thiết kế với nhiều lưỡi cắt có góc và bán kính khác nhau Tuy nhiên, sự sắp xếp hỗn loạn của các góc cắt và hướng lưỡi cắt có thể gây khó khăn trong việc thoát phoi hiệu quả.
Tốc độ cắt khi mài rất cao, cùng một lúc trong một thời gian ngắn có nhiều hạt mài tham gia cắt gọt và tạo ra nhiều phoi vụn
Độ cứng của hạt mài cao do đó có thể mài được các vật liệu rất cứng
Hạt mài có độ giòn cao, dễ biến dạng và lưỡi cắt thường bị vỡ vụn Do đó, trong quá trình cắt, cần thường xuyên sửa đá mài để tạo ra lưỡi cắt mới.
Do sự khác biệt giữa nhiều lưỡi cắt, ma sát tăng lên, khiến cho chi tiết gia công bị nung nóng nhanh chóng và nhiệt độ vùng cắt đạt mức cao Do đó, trong quá trình mài, cần phải xả nhiều dung dịch tưới nguội để giảm nhiệt độ và bảo vệ chi tiết.
Vật liệu chính để chế tạo đá mài bao gồm nhôm ôxit, kim cương nhân tạo, kim cương tự nhiên và các hợp chất hóa học như silic cacbua, bo cacbit và boron nitride Trong số này, nhôm ôxit chiếm đến 75%, trong khi các thành phần còn lại và độ tinh khiết của nhôm ôxit phụ thuộc vào yêu cầu gia công cụ thể.
Hình 1.2: Cấu tạo của đá mài
1 Hạt mài, 2 Chất keo, 3 Khoảng trống
Chất kết dính bao gồm các chất keo Keramic (gốm G), chất keo vuncanic (V), chất keo bakêlit (B)
Tùy theo đặc tính, áp lực tác dụng lên đá trong quá trình mài và dung dịch làm nguội mà ta chọn chất dính kết cho phù hợp
Kích thước hạt mài có vai trò quan trọng trong gia công, được xác định theo tiêu chuẩn ΓOCT Cụ thể, kích thước từ (200-160)μm dùng để mài vật liệu phi kim, trong khi kích thước (50-40)μm thích hợp cho việc mài thô các chi tiết và dụng cụ cắt bằng đồng, gang đúc Kích thước hạt từ (25-10)μm được sử dụng cho mài sửa tinh và mài tinh các chi tiết, dao tiện bằng hợp kim cứng, thép gió, gang trắng Đối với những chi tiết có độ bóng và độ chính xác cao, kích thước hạt từ (10-6)μm là lựa chọn lý tưởng Ngoài ra, kích thước từ (12-4)μm cũng được áp dụng cho mài ren, mài sửa với độ nhẵn từ cấp 8 trở lên, cũng như cho việc mài nghiền các chi tiết và dụng cụ nhiều lưỡi cắt có độ bóng cao Cuối cùng, kích thước này cũng phù hợp cho mài khôn xi lanh, mài mỏng, và mài rà.
Hạt mài có hình dáng hình học đa dạng, với góc sắc thường lớn hơn 90 độ và góc trước âm (γ < 0), điều này gây khó khăn cho quá trình cắt và thoát phoi Khi nhiều hạt mài cùng tham gia cắt gọt với vận tốc cao, nhiệt độ trong vùng cắt có thể đạt từ 1000 đến 1500 độ C, dẫn đến hiện tượng cháy phoi và sinh ra tia lửa.
Hình 1.3: Các thông số hình học của lưỡi cắt đá mài
Tự mài sắc của đá mài cho thấy rằng, khi so với một mặt chuẩn, đỉnh lưỡi cắt của các hạt mài có sự phân bố không đồng đều về chiều cao, dẫn đến lượng dư của các hạt mài cũng không đồng nhất.
Lực cắt tác động lên các hạt mài không đồng đều, và khi lực cắt quá lớn, hạt mài có thể bị vỡ, tạo ra lưỡi cắt mới hoặc bị bật ra khỏi bề mặt làm việc của đá mài Hiện tượng này dẫn đến sự xuất hiện của các hạt mài mới, góp phần vào khả năng tự mài sắc của đá mài.
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi mài thép SKS3
Phương pháp nghiên cứu
Bài viết này trình bày việc ứng dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) kết hợp với thực nghiệm, sử dụng ma trận sang lọc Box-Behnken và phương án cấu trúc có tâm (CCD) Kết quả thí nghiệm được xử lý bằng phần mềm Minitab và MATLAB để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong phân tích dữ liệu.
Cấu trúc của luận án
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Xây dựng một số mô hình toán học khi mài tròn ngoài thép SKS3
Chương 4: Thực nghiệm mài trên thép SKS3
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Nghiên cứu này mang ý nghĩa khoa học quan trọng trong việc xác định phương pháp cắt tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt khi mài thép SKS3 trên máy mài tròn ngoài Đồng thời, việc hoàn thành luận văn sẽ tạo nền tảng khoa học cho việc áp dụng vào thực tiễn sản xuất, giúp điều khiển quá trình mài tròn ngoài hiệu quả, từ đó đạt được chất lượng sản phẩm cao với chi phí sản xuất thấp khi mài thép SKS3.
1.1 Giới thiệu về phương pháp mài tròn ngoài
Máy mài tròn là thiết bị cắt gọt đa năng, chuyên gia công tinh các bề mặt trụ ngoài với độ chính xác cao về hình dáng, kích thước và độ nhẵn bóng Phương pháp mài tròn ngoài cho phép gia công chính xác các bề mặt hình trụ và hình côn bên ngoài, đạt được độ bóng cao từ nhiều loại vật liệu khác nhau.
Có nhiều loại máy mài tròn ngoài tùy theo yêu cầu kỹ thuật và điều kiện công nghệ
Các kiểu máy mài tròn ngoài bao gồm máy mài có tâm và máy mài không tâm, máy mài dụng cụ cắt
Yêu cầu đối với chi tiết gia công tinh trên máy mài tròn vạn năng là đạt độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao, do đó cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt.
Đảm bảo độ chính xác về kích thước
Đạt độ đồng tâm giữa các bề mặt trụ với đường tâm chi tiết
Đảm bảo độ sai lệch về hình dạng hình học, độ côn, độ ô van…trong phạm vi cho phép
Độ nhẵn bóng bề mặt
1.2 Quá trình cắt gọt khi mài
Quá trình cắt gọt chi tiết bằng đá mài tạo ra nhiều phoi vụn do sự cắt và cà miết của các hạt mài vào vật gia công.
Hình 1.1: Là hình dạng lớp cắt của một hạt mài
Mài có những đặc điểm khác với những phương pháp gia công cắt gọt khác như tiện, phay, bào như sau
Đá mài là một công cụ cắt đặc biệt với nhiều lưỡi cắt có các góc và bán kính khác nhau Tuy nhiên, hướng sắp xếp của các góc cắt trên đá mài thường không đồng nhất, gây khó khăn trong việc thoát phoi hiệu quả.
Tốc độ cắt khi mài rất cao, cùng một lúc trong một thời gian ngắn có nhiều hạt mài tham gia cắt gọt và tạo ra nhiều phoi vụn
Độ cứng của hạt mài cao do đó có thể mài được các vật liệu rất cứng
Hạt mài có độ giòn cao, dẫn đến khả năng thay đổi hình dạng dễ dàng Do lưỡi cắt dễ bị vỡ vụn trong quá trình sử dụng, việc sửa đá mài thường xuyên là cần thiết để tạo ra lưỡi cắt mới.
Do sự khác biệt giữa các lưỡi cắt gây ra ma sát, chi tiết gia công nhanh chóng bị nung nóng, dẫn đến nhiệt độ vùng cắt rất cao Do đó, khi mài, cần phải xả nhiều dung dịch tưới nguội để giảm nhiệt.
Vật liệu chế tạo đá mài chủ yếu bao gồm nhôm ôxit, kim cương nhân tạo, kim cương tự nhiên và các hợp chất hóa học như silic cacbua, bo cacbit và boron nitride Trong số này, nhôm ôxit chiếm tới 75% thành phần, trong khi độ tinh khiết của nhôm ôxit và các thành phần khác phụ thuộc vào tính chất gia công cụ thể.
Hình 1.2: Cấu tạo của đá mài
1 Hạt mài, 2 Chất keo, 3 Khoảng trống
Chất kết dính bao gồm các chất keo Keramic (gốm G), chất keo vuncanic (V), chất keo bakêlit (B)
Tùy theo đặc tính, áp lực tác dụng lên đá trong quá trình mài và dung dịch làm nguội mà ta chọn chất dính kết cho phù hợp
Kích thước hạt mài ảnh hưởng đến tính chất gia công và được quy định theo tiêu chuẩn ΓOCT Cụ thể, hạt mài từ (200-160)μm thường dùng để mài vật liệu phi kim, trong khi kích thước từ (50-40)μm thích hợp cho việc mài thô các chi tiết và dụng cụ cắt bằng đồng, gang đúc Kích thước hạt mài từ (25-10)μm được sử dụng cho mài sửa tinh và mài tinh các chi tiết, đặc biệt là dao tiện bằng hợp kim cứng, thép gió và gang trắng Đối với các chi tiết yêu cầu độ bóng và độ chính xác cao, kích thước hạt mài từ (10-6)μm là lựa chọn lý tưởng Hạt mài từ (12-4)μm được dùng cho mài ren, mài sửa với độ nhẵn từ cấp 8 trở lên, cũng như cho mài nghiền các chi tiết và dụng cụ nhiều lưỡi cắt có độ bóng cao, bao gồm cả mài khôn xi lanh, mài mỏng và mài rà.
Hạt mài có hình dáng hình học đa dạng, với góc sắc thường lớn hơn 90 độ và góc trước âm (γ < 0), điều này không thuận lợi cho quá trình cắt và thoát phoi Khi nhiều hạt mài cùng tham gia cắt gọt với vận tốc cao, nhiệt độ cắt có thể đạt tới 1000 ÷ 1500 độ C, dẫn đến hiện tượng cháy phoi và sinh ra tia lửa.
Hình 1.3: Các thông số hình học của lưỡi cắt đá mài
Tự mài sắc của đá mài cho thấy rằng, khi so sánh với một mặt chuẩn, đỉnh lưỡi cắt của các hạt mài không phân bố đều về chiều cao, dẫn đến sự phân bố lượng dư cho các hạt mài cũng không đồng đều.
Lực cắt tác động lên các hạt mài không đồng đều; khi lực cắt quá lớn, hạt mài có thể bị vỡ, tạo ra lưỡi cắt mới hoặc bị bật ra khỏi bề mặt làm việc Hiện tượng này dẫn đến sự xuất hiện của các hạt mài mới, từ đó tạo ra khả năng tự mài sắc cho đá mài.
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi mài thép SKS3
Lượng chạy dao, ký hiệu Sd, là sự dịch chuyển của bàn máy khi phôi quay một vòng, được đo bằng mm/vòng Yếu tố này có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhẵn bề mặt của chi tiết mài, như được thể hiện trong hình 1.5a.
Tăng tốc độ quay của chi tiết mài sẽ dẫn đến sự giảm độ nhẵn của bề mặt Hình 1.5b minh họa mối quan hệ giữa tốc độ quay của chi tiết (Vct, m/phút) và độ nhẵn bề mặt.
Chiều sâu cắt t có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhẵn bề mặt, với việc tăng chiều sâu mài dẫn đến sự giảm độ nhẵn bề mặt Hình 1.5c minh họa mối tương quan giữa chiều sâu mài và độ nhẵn bề mặt, trong đó a là Sd (mm/v), b là Vct (m/p) và c là t (μm).
Hình 1.4: độ nhẵn bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố(Vct, Sd, t)
