Đá mài theo sau nhiệt

ĐÁ MÀI THEO SAU NHIỆT

ỨNG DỤNG CỦA ĐÁ MÀI:

Việc ứng dụng mài là một nguyên công gia công lần cuối đã xuất hiện trước đây khoảng 2 triệu năm, khi mà những dụng cụ thời tiền sử được sản xuất bằng quá trình mài (chipping-abrade). Các hạt mài tự nhiên được sử dụng cho tới những năm 1980, khi mà các quặng được phát hiện và khai thác để chế tạo Al2O3 và SiC. Các hạt mài nhân tạo tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội so với hạt mài tự nhiên vì có thể khống chế lượng tạp chất trong đó, có thể điều khiển chất lượng của hạt mài trong quá trình sản xuất. Công nghiệp sản xuất hạt mài đã điều khiển được các tính chất như kích thước hạt, độ bền của hạt phù hợp với các ứng dụng mài khác nhau.

Trong Thế chiến thứ II, việc cung cấp không liên tục kim cương tự nhiên để làm đá mài đã thúc đẩy các nghiên cứu phát triển vật liệu thay thế chúng. Năm 1955, rất nhiều phát kiến trong việc phát triển vật liệu mài đã đưa đến thành công chế tạo kim cương nhân tạo. Rất nhanh sau đó, Nitrit Bor lập phương (CBN-Cubic Bor Nitride) được chế tạo. Kim cương và CBN nhân tạo được biết đến dưới tên Superabrasive bởi vì chúng có các tính chất tốt, đáp ứng được về độ cứng, độ bền mòn, độ bền nén và hệ số dẫn nhiệt...

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và của ngành chế tạo máy nói riêng, ngày càng có nhiều loại vật liệu mới ra đời đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về cơ lí tính và các tính chất đặc biệt khác, tính gia công của các loại vật liệu này rất thấp (khó gia công), đồng thời các chi tiết có yêu cầu ngày càng cao về chất lượng cũng như độ chính xác. Do vậy phạm vi sử dụng của phương pháp mài ngày càng được mở rộng.

Trong ngành chế tạo máy hiện đại, mài chiếm một tỷ lệ rất lớn, máy mài chiếm khoảng 30% tổng số máy cắt kim loại. Đặc biệt là trong ngành chế tạo ổ bi, nguyên công mài chiếm khoảng 60% toàn bộ quy trình công nghệ.

Quá trình mài là quá trình cắt gọt của đá mài vào chi tiết, tạo ra rất nhiều phôi vụn do sự cắt và cào xước của các hạt mài vào vật liệu gia công. Mài có những đặc điểm khác với các phương pháp gia công khác:

• Ở đá mài, các lưỡi cắt không giống nhau và sắp xếp lộn xộn trong chất dính kết.
• Hình dáng hình học của mỗi hạt mài khác nhau (các góc độ, bán kính góc lượn ở đỉnh hạt mài...), góc cắt thường lớn hơn 90 độ, góc trước âm, do đó không thuận lợi cho quá trình tạo phôi và thoát phôi.
• Tốc độ cắt khi mài rất cao, cùng một lúc, trong thời gian ngắn có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt và tạo ra nhiều phôi vụn.
• Độ cứng của hạt mài cao nên có thể cắt gọt được những loại vật liệu cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không gia công được hoặc gia công rất khó khăn như thép đã tôi, hợp kim cứng...
• Trong quá trình cắt, đá mài có khả năng tự mài sắc. Hạt mài có độ giòn cao, lưỡi cắt dễ bị vỡ vụn, tạo thành những lưỡi cắt mới hoặc bật ra khỏi chất dính kết để các hạt mài khác tham gia cắt.
• Do có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt với góc trước âm và góc cắt lớn hơn 90 độ nên tạo ra ma sát rất lớn, quá trình cắt bằng đá mài gọi là quá trình "cắt - cào xước" làm cho nhiệt cắt rất lớn, chi tiết bị nung nóng rất nhanh (trên 1000^oC).
• Lực mài tuy nhỏ nhưng diện tích tiếp xúc của đỉnh hạt mài với bề mặt gia công rất nhỏ nên lực cắt đơn vị rất lớn.
• Trong quá trình mài tồn tại 3 hiện tượng: cắt (cutting), cày (ploughing) và trượt (rubbing) Các hiện tượng này đồng thời xảy ra và phụ thuộc vào tương tác giữa hạt mài và vật liệu gia công.

Mài còn được gọi là dụng cụ cắt có lưỡi cắt không xác định, ko xác định vì ở đó có rất nhiều hiện tượng ngẫu nhiên, ko theo quy luật, ví dụ như thông số hình học của hạt mài, kích thước hạt, sự phân bố hạt trên bề mặt đá, sự vỡ ra của các hạt cũng như sự tách ra khỏi bề mặt đá của các hạt. Chính vì thế, việc nghiên cứu và điều khiển quá trình mài là hơi bị phức tạp so với các quá trình gia công khác. 

TƯƠNG TÁC TRONG VÙNG MÀI:

Để hiểu rõ bản chất của quá trình mài, cần phải phân tích quá trình tạo phôi khi mài, vì đây là cơ sở, là nguồn gốc của các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt như biến dạng, lực cắt, nhiệt cắt... Để khảo sát được vấn đề này, cần phải mô hình hóa quá trình cắt bằng hạt mài. Có nhiều mô hình đã được đưa ra, trong đó có mô hình dưới đây:

Như đã phân tích ở trên, mài là một quá trình rất phức tạp, các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt phụ thuộc lớn vào tương tác giữa hạt mài, giữa đá mài với vật liệu gia công (phôi). Có thể thấy rõ các tương tác đó trong quá trình cắt bằng hạt mài như hình sau:

Trong bất kì quá trình mài nào đều xuất hiện bốn tương tác sau:

• Tương tác giữa hạt mài và phôi.
• Tương tác giữa phôi và chất kết dính.
• Tương tác giữa phôi và phôi.
• Tương tác giữa chất kết dính và phôi.

Trong đó, tương tác giữa hạt mài và phôi là quan trọng nhất, có ảnh hưởng tới toàn bộ các hiện tượng vật lí xảy ra trong quá trình gia công (hình 01). Tương tác giữa hạt mài và phôi bao gồm 3 hiện tượng (hình 02): cắt (cutting) - tạo ra bề mặt gia công, cày (plowing) và trượt (rubbing) - ảnh hưởng tới các đặc trưng của bề mặt vừa được hình thành (Hiện tượng cày và trượt trong vùng mài còn được gọi là Tribology).

Các tương tác này đều có thể được kiểm soát và điều khiển thông qua các thông số như lực cắt, công suất cắt và nhiệt cắt. Trong quá trình mài, mong muốn công để cắt là lớn nhất, công tiêu hao cho hiện tượng "cày" và trượt là nhỏ nhất:

• Giảm thiểu công tiêu hao cho hiện tượng "cày" của hạt mài lên phôi (hình 02b) liên quan đến việc lựa chọn tính chất của hạt mài và vật liệu gia công, hình dạng và kích thước của hạt mài, chiều dày phôi hợp lý.
• Công tiêu hao cho hiện tượng trượt giữa hạt mài và phôi (hình 02c) nhỏ nhất khi tăng tính tự mài sắc của hạt mài và của đá mài.
• Hiện tượng trượt giữa phôi với chất kết dính (hình 02d) là nhỏ nhất khi lựa chọn cặp vật liệu chất kết dính và vật liệu gia công phù hợp. Thay dung dịch làm nguội, tăng độ xốp của đá mài, sử dụng thêm dung dịch bôi trơn cũng làm giảm hiện tượng trượt này.

Giảm hiện tượng trượt giữa phôi và chất kết dính cũng làm giảm đồng thời hiện tượng trượt giữa phôi và chất kết dính (hình 02e). Trong thực tế, hai hiện tượng này thường bị bỏ qua, không được quan tâm, điều đó dẫn đến lực cắt lớn, đá mòn nhanh và chất lượng bề mặt gia công không cao.

Hiện tượng trượt giữa chất dính kết và phôi (hình 02f) nhỏ nhất khi số lượng lỗ trống trên bề mặt đá nhiều nhất (cấu trúc đá xốp nhất) hoặc khi sử dụng chất dính kết gốm. Tuy nhiên, hiện tượng trượt được nhận thấy rõ rệt nhất khi sử dụng đá mài với chất kết dính kim loại. Hiện tượng trượt và ma sát giữa phôi với chất kết dính trở nên khốc liệt nhất khi sử dụng đá mài hạt nhỏ, khi đó khoảng cách giữa bề mặt phôi và chất dính kết rất nhỏ.

Cơ chế cắt và tribology sẽ ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt gia công, biến dạng của vật liệu lớp bề mặt hoặc sự chuyển hóa từ cơ năng thành nhiệt. Khi cơ chế cắt là lớn nhất và tribology là nhỏ nhất thì khi đó lực mài và nhiệt mài sẽ nhỏ nhất. Dung dịch làm nguội sẽ giảm năng lượng nhiệt và làm giảm nhiệt truyền vào phôi.

Tất cả các hiện tượng trên đều đúng với mọi quá trình mài, mà không phụ thuộc vào vật liệu gia công. Trong bất kì quá trình mài nào cũng xảy ra đồng thời các hiện tượng đó. Do vậy, khoa học về mài cần phải nghiên cứu sự ảnh hưởng đồng thời của cả 4 thông số đầu vào: các yếu tố về máy công cụ, các yếu tố về vật liệu gia công, các yếu tố về đá mài và các thông số công nghệ của quá trình. Mục đích là để điều khiển sao cho cơ chế cắt là lớn nhất, giảm thiểu cơ chế tribology, nhằm giảm lực và nhiệt cắt.