Luận án Nghiên cứu chế tạo và đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện
i
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập- Tự do- Hạnh phúc
***
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Thị Vân Nga
Nơi công tác: Bộ môn Công nghệ giao thông – Khoa Cơ khí
Trường đại học Giao thông vận tải
Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu chế tạo và đánh giá khả năng cắt gọt của đá
mài CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí - Mã số 62.52.01.03
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của bản thân
tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa được công bố trong bất
kỳ công trình nào khác mà không có tôi tham gia.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2017
Nghiên cứu sinh
Trần Thị Vân Nga
ii
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các Quý Thầy đã tham gia giảng
dạy, đào tạo trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. NCS cũng chân thành
cảm ơn Thầy/Cô trong các hội đồng đánh giá nghiên cứu sinh đã có những góp
ý về chuyên môn để luận án được hoàn thiện hơn. Đặc biệt, NCS xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Trương Hoành Sơn và PGS.TS. Trần Vĩnh
Hưng đã tận tình hướng dẫn, động viên để hoàn thành luận án. NCS xin chân
thành cảm ơn GS.TSKH. Nguyễn Đức Hùng đã đóng góp những ý kiến quý báu
cho luận án này.
NCS xin chân thành cám ơn các Cán bộ, Thầy ở Trung tâm đào tạo, Lãnh
đạo Viện Nghiên cứu Cơ khí đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên trong
suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. NCS xin chân thành cảm ơn
Lãnh đạo và Thầy/Cô tại trường Đại học Giao thông vận tải đã hỗ trợ, tạo điều
kiện thời gian, vật chất để NCS có thể hoàn thành luận án của mình.
Cuối cùng, NCS chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về vật chất và động viên
tinh thần của những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt
quá trình thực hiện luận án.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2017
Nghiên cứu sinh
Trần Thị Vân Nga
iii
MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH..........................................................................................x
DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................xiii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁ MÀI CBN VÀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN ......5
1.1. Quá trình mài, đá mài CBN và đá mài CBN đơn lớp........................................5
1.1.1. Quá trình mài .....................................................................................................5
1.1.2. Đá mài – thành phần và cấu trúc.........................................................................6
1.1.3. Đá mài CBN ......................................................................................................9
1.1.3.1. Đặc điểm của hạt mài CBN.............................................................................9
1.1.3.2. Đá mài CBN..................................................................................................13
1.1.4. Các phương pháp chế tạo đá mài CBN.............................................................15
1.1.4.1. Đá mài CBN đa lớp (đá mài phổ thông)........................................................15
1.1.4.2. Đá mài CBN đơn lớp.....................................................................................16
1.2. Chế tạo đá mài bằng phương pháp mạ điện....................................................20
1.2.1. Khái niệm về phương pháp mạ điện.................................................................20
1.2.1.1. Sự hình thành lớp phủ kim loại mạ trên catốt...............................................20
1.2.1.2. Thành phần chất điện ly................................................................................21
1.2.1.3. Lớp mạ composite và cấu tạo........................................................................22
1.2.1.3. Kỹ thuật tạo lớp mạ composite......................................................................22
1.2.1.4. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình mạ điện..............................................24
1.2.2. Ứng dụng phương pháp mạ điện để hình thành cầu liên kết của đá...................30
1.2.2.1. Vật liệu chất dính kết.....................................................................................30
1.2.2.2. Dung dịch mạ................................................................................................31
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước......................................................32
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước.....................................................................32
1.3.2.Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................................35
iv
1.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài.........................................................................35
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.........................................................................................36
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..37
2.1. Vật liệu, hóa chất và thiết bị.............................................................................37
2.1.1. Mẫu và vật liệu: ...............................................................................................37
2.1.2. Hóa chất và thiết bị ..........................................................................................39
2.2. Phương pháp xác định đặc tính lớp mạ composite Ni-CBN ...........................41
2.2.1. Xác định thành phần hóa học ...........................................................................41
2.2.2. Xác định mật độ phân bố hạt mài trên bề mặt...................................................42
2.2.2.1. Quan sát trên kính hiển vi quang học............................................................42
2.2.2.2. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét ........................................................42
2.2.2.3. Xác định hệ số phân bố quy ước KPBQU..........................................................42
2.2.3. Xác định chiều dày lớp mạ...............................................................................44
2.2.3.1. Tính toán chiều dày lớp mạ...........................................................................44
2.2.3.2. Đo chiều dày lớp mạ .....................................................................................46
2.2.4. Đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài chế tạo ..................................................46
2.2.4.1. Nhám bề mặt chi tiết mài...............................................................................48
2.2.4.2. Hệ số mài......................................................................................................48
2.3. Quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công
nghệ đến sự phân bố hạt trong lớp mạ composite Ni-CBN....................................50
2.3.1. Chọn các thông số nghiên cứu..........................................................................50
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................50
2.3.2.1. Mã hóa và lập ma trận thí nghiệm.................................................................51
3.3.2.2. Phương pháp xử lý số liệu.............................................................................52
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.........................................................................................52
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
THIẾT BỊ MẠ..........................................................................................................53
3.1. Yêu cầu và thông số kỹ thuật của thiết bị thí nghiệm .....................................53
3.1.1. Yêu cầu............................................................................................................53
3.1.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị ..........................................................................53
3.2. Lựa chọn mô hình thí nghiệm ..........................................................................54
3.3. Đánh giá chất lượng thiết bị .............................................................................56
v
3.3.1. Ảnh hưởng của vị trí bề mặt khi mạ đến sự phân bố của hạt mài......................56
3.3.2. Thử nghiệm đánh giá chất lượng thiết bị với chi tiết mạ quay và chi tiết mạ
đứng yên....................................................................................................................58
3.3.3. Đánh giá chung về thiết bị................................................................................65
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.........................................................................................65
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CẮT
GỌT CỦA ĐÁ MÀI.................................................................................................66
4.1 Cấu trúc của bề mặt đá mài CBN đơn lớp liên kết kim loại bằng phương
pháp mạ điện............................................................................................................66
4.1.1. Đặc điểm của đá mài CBN...............................................................................66
4.1.2. Yêu cầu đối với đá mài chế tạo bằng phương pháp mạ điện .............................69
4.1.2.1. Yêu cầu chung đối với đá mài chế tạo bằng phương pháp mạ điện................69
4.1.2.2. Mô hình hóa liên kết của hạt mài với chất dính kết của đá mài chế tạo bằng
phương pháp mạ điện ................................................................................................70
4.1.2.3. Mật độ của hạt mài và sự phân bố của hạt mài trên bề mặt của đá ...............71
4.1.3. Tiến trình công nghệ chế tạo lớp bề mặt đá mài ...............................................72
4.1.4. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp mạ composite Ni-CBN..................................72
4.2. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến sự phân bố của hạt mài khi
chế tạo đá mài bằng phương pháp mạ điện............................................................73
4.2.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng đến sự phân bố của hạt mài.................................73
4.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết mạ (catốt)...........................................80
4.2.3. Ảnh hưởng của thời gian mạ composite. ..........................................................87
4.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch mạ. ............................................................93
4.2.5. Ảnh hưởng đồng thời của đa yếu tố đến sự phân bố của hạt mài trong lớp mạ..99
4.2.5.1. Kế hoạch thí nghiệm đồng thời ba yếu tố.......................................................99
4.2.5.2. Kết quả thí nghiệm. ..................................................................................... 100
4.2.5.3. Xác định phương trình hồi quy (PTHQ) ...................................................... 101
4.3. Đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài chế tạo .............................................. 105
4.3.1. Quan sát cầu liên kết sau khi chế tạo.............................................................. 105
4.3.2. Đánh giá độ bền của cầu liên kết.................................................................... 107
4.3.3. Đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài chế tạo ................................................ 110
4.3.3.1. Hệ số mài................................................................................................... 111
vi
4.3.3.2. Nhám bề mặt chi tiết gia công..................................................................... 115
4.3.4. Đánh giá chung .............................................................................................. 118
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4....................................................................................... 118
KẾT LUẬN CHUNG............................................................................................. 120
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI................................................................................... 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 122
PHẦN PHỤ LỤC
vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CBN
HBN
FEPA
Cubic Boron Nitride - Bo nitrit lập phương
Hexagonal Boron Nitride – Bo nitrit cấu trúc lục giác
Federation of European Producers of Abrasives- Hiệp hội sản xuất hạt mài
châu Âu.
DIN
Deutsches Institut für Normung - Tiêu chuẩn Đức
Japanese Industrial Standards - Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản
Tiếng nga: ГОСТ (Государственный стандарт) - Tiêu chuẩn Liên Xô
Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn
Response Surface Methodology - Phương pháp phản ứng bề mặt
Energy-dispersive X-ray spectroscopy- Phổ tán xạ năng lượng tia X
General Electric- Công ty General Electric
JIS
GOST
FEM
RSM
EDX
GE
HEG
NCS
SEM
CCD
PTHQ
High Efficency Grinding - Mài hiệu suất cao
Nghiên cứu sinh
Scanning Electron Microscope- Kính hiển vi điện tử quét
Central Composite Design – Thiết kế hỗn hợp tâm xoay
Phương trình hồi quy
QHTN Quy hoạch thực nghiệm
viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
m
Khối lượng chất thoát ra sau t giờ (g)
Thời gian mạ (h)
t
K
Đương lượng điện hóa (g/A.h)
Cường độ dòng điện mạ (A)
Hiệu suất dòng điện
I
mF
A
Khối lượng mạ tính theo Faraday (g)
Khối lượng phân tử (g/mol)
Hóa trị của kim loại mạ
n
F
Hệ số Faraday F=96.500 C/mol
Tổng khối lượng lớp mạ (g)
Khối lượng chênh lệch của phôi sau mạ và trước mạ (g)
Khối lượng phôi sau mạ (g)
Khối lượng phôi trước mạ (g)
mΣmạ
m
msau mạ
mphôi
mhạtCBN Khối lượng hạt CBN (g)
m1Ni
m2Ni
m3Ni
mmạNi
m1CBN
m2CBN
m3CBN
m1
Khối lượng mạ niken lần 1 (g)
Khối lượng mạ niken lần 2 (g)
Khối lượng mạ niken lần 3 (g)
Tổng khối lượng mạ niken (g)
Khối lượng mạ hạt CBN lần 1 (g)
Khối lượng mạ hạt CBN lần 2 (g)
Khối lượng mạ hạt CBN lần 3 (g)
Tổng khối lượng mạ lần 1 (g)
Tổng khối lượng mạ lần 2 (g)
Tổng khối lượng mạ lần 3 (g)
Khối lượng riêng của CBN (g/cm3)
m2
m3
ρCBN
m1hạtCBN Khối lượng của 1 hạt CBN quy ước (g)
rhạtCBN
KPB
Bán kính hạt CBN quy ước (µm)
Hệ số mật độ phân bố (hạt/mm2)
Hệ số mật độ phân bố quy ước (hạt/mm2)
KPBQU
ix
KPBT
Smạ
Rh
Hệ số mật độ phân bố thực (hạt/mm2)
Diện tích mạ (mm2)
Bán kính hạt mài quy ước
R
Bán kính chỏm cầu của phần hạt mài bị chôn lấp quy ước
Bán kính phôi mạ
Rp
Vhcc
ꢀ∑
Thể tích chỏm cầu quy ước – Phần hạt mài bị chôn lấp
Tổng thể tích hạt mài bị chôn lấp quy ước
ꢁ
ꢂꢃꢃ
nh
Số lượng hạt mài quy ước
Diện tích mạ
ꢄꢅạ
ꢆꢅạ
Chiều dài phần mạ
VmạNi
ꢇꢈꢉ
ꢊꢈꢉ
Thể tích niken mạ
Khối lượng niken mạ lớp mạ gắn và mạ chôn lấp
Khối lượng riêng của niken
Chiều dày chôn lấp của hạt CBN quy ước
Ra
Sai lệch profin trung bình cộng (m)
Chiều cao nhấp nhô (m)
RZ
G
Hệ số mài
Vw
Vs
Thể tích kim loại bị bóc (mài) (mm3)
Thể tích đá mài bị mòn (mm3)
Thể tính kim loại bị bóc (mài) trên một đơn vị chiều rộng của đá mài
(mm2)
Qw
Qs
rs
ds
Thể tích đá bị mòn trên một đơn vị chiều rộng của đá mài (mm2)
Độ giảm đo được của bán kính đá mài (mm)
Giá trị trung bình của bán kính đá mài trước và sau khi hiện tượng mòn
xuất hiện (mm)
bw
ae
Chiều rộng mài (mm)
Chiều sâu cắt (mm)
bw
Lw
Chiều rộng cắt (mm)
Chiều dài cắt (mm)
x
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Mô hình vùng mài của quá trình mài ............................................................5
Hình 1.2. Đá mài đa lớp ..............................................................................................7
Hình 1.3. Đá mài đơn lớp.............................................................................................8
Hình 1.4. Hình ảnh một số loại hạt CBN của GE ......................................................10
Hình 1.5. Các mặt phát triển của tinh thể CBN và hình thái hình học.........................10
Hình 1.6. Ảnh một số hạt CBN thương mại ...............................................................11
Hình 1.7. So sánh tính chống mài mòn của CBN với các vật liệu hạt mài khác. .........13
Hình 1.8. Đá mài CBN đa lớp....................................................................................14
Hình 1.9. Bề mặt của đá mài CBN đa lớp ..................................................................14
Hình 1.10. Cấu trúc tế vi bề mặt của đá mài CBN đa lớp ...........................................14
Hình 1.11. Đá mài CBN đơn lớp chế tạo bằng phương pháp mạ điện.........................15
Hình 1.12. Bề mặt của đá mài CBN chế tạo bằng phương pháp mạ điện....................15
Hình 1.13. Quá trình chế tạo đá mài CBN thông thường............................................16
Hình 1.14. Đá mài chế tạo bằng phương pháp hàn cứng.............................................16
Hình 1.15. Bề mặt đá mài chế tạo bằng phương pháp hàn cứng cỡ hạt B251..............16
Hình 1.16. Hạt CBN được hàn cứng trên bề mặt thân đá............................................17
Hình 1.17. Đá mài chế tạo bằng phương pháp hàn cứng.............................................18
Hình 1.18. Đá mài CBN chế tạo bằng phương pháp mạ điện .....................................19
Hình 1.19. Quá trình chế tạo đá mài CBN bằng phương pháp mạ điện.......................20
Hình 1.20. Sơ đồ quá trình mạ composite ..................................................................23
Hình 1.21. Bề mặt của đá mài chế tạo bằng phương pháp mạ điện.............................32
Hình 1.22. Các phương pháp khuấy khi mạ ...............................................................33
Hình 1.23. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian mạ đến phân bố hạt mài....34
Hình 2.1. Hạt mài SiC................................................................................................37
Hình 2.2. Ảnh chụp SEM hạt SiC ..............................................................................37
Hình 2.3. Hạt CBN A10+ của Trung Quốc ................................................................38
Hình 2.4. Ảnh chụp SEM hạt CBN............................................................................38
Hình 2.5. Ảnh chụp EDX thành phần hạt mài CBN phân tích theo % khối lượng ......38
Hình 2.6. Kích thước lõi đá mài - phôi thí nghiệm .....................................................39
Hình 2.7. Nguyên lý của phương pháp EDX..............................................................41
Hình 2.8. Sơ đồ tính chiều dày lớp mạ .......................................................................44
Hình 2.9. Máy mài thực nghiệm.................................................................................47
Hình 2.10. Sơ đồ mài thử nghiệm ..............................................................................47
xi
Hình 2.11. Sơ đồ tính lượng kim loại bị mài ..............................................................48
Hình 2.12. Sơ đồ thí nghiệm CCD với 3 biến.............................................................51
Hình 3.1. Thiết bị thí nghiệm phương án một.............................................................54
Hình 3.2. Thiết bị thí nghiệm phương án hai..............................................................54
Hình 3.3. Thiết bị thí nghiệm phương án ba...............................................................55
Hình 3.4. Thiết bị thí nghiệm phương án bốn.............................................................56
Hình 3.5. Vị trí các vùng quan sát của phôi................................................................57
Hình 3.6. Ảnh chụp SEM các vùng trên bề mặt phôi thí nghiệm................................57
Hình 3.7. Vị trí quan sát bề mặt phôi mạ....................................................................58
Hình 3.8. Ảnh chụp SEM vùng đầu của các mẫu .......................................................59
Hình 3.9. Ảnh chụp SEM vùng giữa các mẫu ............................................................59
Hình 3.10. Ảnh chụp SEM vùng cuối các mẫu...........................................................60
Hình 3.11. Ảnh chụp SEM bề mặt mẫu M108 với tỷ lệ 800...................................60
Hình 3.12. Ảnh chụp SEM bề mặt mẫu M109 với tỷ lệ 800...................................61
Hình 3.13 Ảnh chụp SEM bề mặt mẫu M111 và M114 với tỷ lệ 500.....................61
Hình 3.14. Ảnh chụp SEM vùng đầu của mẫu M114 .................................................62
Hình 3.15. Ảnh chụp SEM vùng giữa của mẫu M114................................................62
Hình 3.16. Ảnh chụp SEM vùng cuối của mẫu M114 ................................................63
Hình 3.17. Ảnh chụp SEM tại vùng đầu ở 2 vị trí mẫu M109.....................................64
Hình 3.18. Ảnh chụp SEM tại vùng giữa ở 2 vị trí mẫu M109 ...................................64
Hình 3.19. Ảnh chụp SEM tại vùng cuối ở 2 vị trí mẫu M109....................................65
Hình 4.1. Ảnh SEM bề mặt của đá mài do công ty Okazaki chế tạo (Nhật bản) ........66
Hình 4.2. Ảnh SEM bề mặt đá mài CBN của Trung quốc ..........................................67
Hình 4.3. Ảnh chụp SEM của mặt cắt ngang của đá mài CBN chế tạo bằng phương
pháp mạ điện .............................................................................................................67
Hình 4.4. Ảnh đo chiều dày lớp mạ............................................................................68
Hình 4.5. Các vùng phân tích EDX thành phần của lớp mạ liên kết của đá mài..........68
Hình 4.6. Mô hình hóa bề mặt của đá mài mạ điện....................................................70
Hình 4.7. Mật độ hạt mài phân bố trên bề mặt của đá mài mạ điện.............................71
Hình 4.8. Sơ đồ phân bố hạt mài trên 1mm2 bề mặt của đá với các mật độ hạt mài khác
nhau...........................................................................................................................71
Hình 4.9. Các bước thực hiện quá trình mạ chế tạo lớp bề mặt đá mài .......................72
Hình 4.10. Ảnh các mẫu M16, M3, M4, M6 chụp trên kính hiển vi quang học ........75
Hình 4.11. Ảnh SEM mẫu M16, M3, M4, M6 ...........................................................76
xii
Hình 4.12. Kết quả đếm hạt trên ảnh SEM mẫu M16, M3, M4 và M6 .......................78
Hình 4.13. Quan hệ của KPB và mật độ dòng..............................................................79
Hình 4.14. Hình ảnh mẫu M3, M9, M11 và M12 chụp trên kính hiển vi quang học ...82
Hình 4.15. Ảnh SEM mẫu M3, M9, M11 và M12......................................................83
Hình 4.16. Kết quả đếm hạt trên ảnh SEM mẫu M3, M9, M11 và M12......................85
Hình 4.17. Quan hệ của KPB và tốc độ quay chi tiết mạ..............................................86
Hình 4.18. Hình ảnh mẫu M17, M3, M1, M8 chụp trên kính hiển vi quang học.........89
Hình 4.19. Ảnh SEM mẫu M17, M3, M1và M8.........................................................90
Hình 4.20. Kết quả đếm hạt trên ảnh SEM mẫu M17, M3, M1 và M8 .......................92
Hình 4.21. Quan hệ của KPB và thời gian mạ..............................................................93
Hình 4.22. Hình ảnh mẫu M 14, M3 và M13 chụp trên kính hiển vi quang học..........95
Hình 4.23. Ảnh SEM các mẫu M14, M3 và M13.......................................................96
Hình 4.24. Kết quả đếm hạt trên ảnh SEM các mẫu M14, M3 và M13.......................97
Hình 4.25. Quan hệ của KPB và nhiệt độ mạ của mẫu M14, M3 và M13 ....................98
Hình 4.26. Đồ thị 3D quan hệ của hệ số KPBT và thông số công nghệ mạ............... 103
Hình 4.27. Đồ thị 2D quan hệ của hệ số KPBT và thông số công nghệ mạ............... 104
Hình 4.28. Ảnh chụp bề mặt mẫu M5 và M7 ........................................................... 105
Hình 4.29. Ảnh mặt cắt ngang mẫu M5 và M7......................................................... 106
Hình 4.30. Ảnh SEM mặt cắt ngang và đo chiều dày lớp mạ mẫu M5 và M7.......... 106
Hình 4.31. Ảnh SEM bề mặt đá mài sau 200 hành trình mài.................................... 108
Hình 4.32. Ảnh SEM bề mặt đá mài ở mức phóng đại 500 lần................................. 109
Hình 4.33. Bề mặt đá M2 và M3 sau khi mạ ............................................................ 109
Hình 4.34. Bề mặt đá sau khi mài mà chưa được làm sạch....................................... 110
Hình 4.35. Quan hệ giữa lượng kim loại được cắt và số hành trình mài ................... 112
Hình 4.36. Bề mặt đá M3 sau 500 hành trình mài .................................................... 113
Hình 4.37. Hệ số mài của các mẫu........................................................................... 114
Hình 4.38. Bề mặt đá M2 trước khi mài................................................................... 115
Hình 4.39. Đồ thị nhám bề mặt chi tiết mài sau 200 hành trình mài ......................... 116
Hình 4.40. Ảnh SEM bề mặt chi tiết mài.................................................................. 117
xiii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Thành phần hoá học của thép cácbon C45 (TCVN 1766 – 75)...................39
Bảng 2.2. Thành phần hóa chất của dung dịch mạ và tác dụng...................................39
Bảng 2.3. Thành phần dụng dịch mạ composite Ni-CBN...........................................40
Bảng 2.4. Điều kiện mài thử nghiệm..........................................................................48
Bảng 2.5. Mã hóa ma trận thí nghiệm ........................................................................51
Bảng 3.1. Điều kiện thí nghiệm của mẫu thử nghiệm.................................................58
Bảng 4.2. Kết quả phân tích theo % khối lượng các nguyên tố các vùng của đá mài ..68
Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của mật độ dòng đến chiều dày lớp mạ và
hệ số KPBQU và KPBT ...................................................................................................74
Bảng 4.4. Bảng tính hệ số KPBT của mẫu M16, M3, M4 và M6 .................................78
Bảng 4.5. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của tốc độ quay chi tiết đến chiều dày lớp
mạ và hệ số KPBQU và KPBT.........................................................................................81
Bảng 4.6. Bảng tính hệ số KPBT của các mẫu M3, M9, M11 và M12 ..........................85
Bảng 4.7. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian mạ composite Ni-CBN đến
chiều dày lớp mạ và hệ số KPBQU và KPBT...................................................................88
Bảng 4.8. Bảng tính hệ số KPBT của các mẫu M17, M3, M1 và M8 ............................92
Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch mạ đến chiều dày
lớp mạ và hệ số KPBQU và KPBT...................................................................................94
Bảng 4.10. Bảng tính hệ số KPBT của các mẫu M14, M3 và M13................................97
Bảng 4.11. Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố..............................................99
Bảng 4.12. Kết quả và thông số thí nghiệm ảnh hưởng của ba yếu tố....................... 100
Bảng 4.13. Các thông số mạ điện và hệ số phân bố hạt mài của các mẫu ................. 107
Bảng 4.14. Hảnh trình mài và chiều sâu lớp kim loại cắt được................................. 111
Bảng 4.15. Kết quả thí nghiệm và tính toán hệ số mài.............................................. 114
Bảng 4.16. Kết quả thí nghiệm đo nhám bề mặt mài ............................................... 115
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngành chế tạo máy hiện đại đòi hỏi độ chính xác gia công của các chi tiết
máy ngày càng cao để đáp ứng được yêu cầu làm việc của thiết bị. Do vậy, nguyên
công mài ngày càng chiếm một tỷ trọng lớn trong gia công các chi tiết máy vì mài là
phương pháp gia công có thể đạt chính xác cao, đóng vai trò quyết định đến chất
lượng sản phẩm. Mài được sử dụng nhiều trong gia công cơ khí chính xác vì [12]:
- Mài có thể gia công các chi tiết đạt độ chính xác cao. Gia công bằng mài cho
phép đạt độ chính xác 6 7, đôi khi cấp 5 và nhám bề mặt đạt Ra = 0,16
0,32 m, do đó thường được sử dụng để gia công lần cuối.
- Mài có thể gia công được các loại vật liệu có độ cứng cao, thép đã qua nhiệt
luyện v.v…
- Mài có thể gia công được nhiều dạng bề mặt khác nhau như mặt phẳng, mặt
trụ trong, mặt trụ ngoài, các bề mặt định hình như bề mặt răng của bánh răng,
rãnh vòng bi v.v…
- Mài có thể nâng cao độ chính xác kích thước gia công, giảm nhám bề mặt và
còn có thể sửa được sai số vị trí, sai số hình dáng do bước hay nguyên công
trước để lại.
Trong nguyên công mài, đá mài đóng vai trò rất quan trọng đến chất lượng
và giá thành mài, đặc biệt là trong các nguyên công mài định hình như mài bề mặt
răng của bánh răng, mài các bề mặt dẫn hướng v.v… Vì vậy việc nghiên cứu chế
tạo ra các loại đá mài mới có khả năng cắt gọt tốt, hệ số mài cao đáp ứng được các
yêu cầu sản xuất thực tiễn là điều rất cần thiết, đặc biệt để gia công các loại vật liệu
mới có độ cứng cao và các chi tiết có biên dạng định hình cần gia công chính xác.
Việc nghiên cứu chế tạo ra các loại đá mài mới và đánh giá khả năng cắt gọt của
chúng tại Việt Nam để phục vụ sản xuất hiện nay còn hạn chế, đặc biệt là đá mài
làm từ vật liêu hạt mài bo nitrit lập phương (Cubic Boron Nitride-CBN) nói chung
và đá CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện nói riêng. Đá mài CBN liên
kết kim loại bằng phương pháp mạ điện có nhiều ưu điểm trong việc gia công các
2
loại vật liệu có độ cứng cao, các loại vật liệu mới, trong các nguyên công mài định
hình, hay chế tạo đá mài dùng để sửa các loại đá khác.
Một ưu điểm nổi bật của đá mài CBN là sử dụng rất hiệu quả khi mài định
hình các chi tiết làm bằng thép cacbon sau nhiệt luyện, đây là loại vật liệu được sử
dụng phổ biến trong chế tạo các chi tiết máy nhưng khi mài bằng đá kim cương thì
gặp nhiều khó khăn do sự khuếch tán của cacbon trong quá trình mài làm đá bị mòn
nhanh [21], [23], [27]. Ngoài ra, đá mài CBN liên kết kim loại bằng phương pháp
mạ điện còn có các ưu điểm khác như thời gian chế tạo nhanh, tiết kiệm hạt mài nên
giá thành thấp. Đặc biệt loại đá mài này không phải sửa đá sau khi chế tạo cũng như
trong quá trình mài nên rất phù hợp cho việc chế tạo được các đá có biên dạng định
hình để mài các bề mặt định hình. Đây là vấn đề mất nhiều thời gian, tốn kém và
khó thực hiện đối với các loại đá mài khác khi tiến hành sửa đá theo một biên dạng
nào đó. Một ưu điểm nữa của đá mài này là có thể chế tạo được các loại đá mài có
bề rộng đá rất mỏng để gia công các rãnh nhỏ (dưới 1 mm) hay cắt đứt. Với các ưu
điểm đó, đá mài CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện đã được nghiên
cứu chế tạo và đưa vào sử dụng rộng rãi trong gia công cơ khí ở các nước có nền
sản xuất cơ khí phát triển như Nhật Bản, Đức, Pháp, Mỹ, v.v... Hiện nay ở Việt
Nam, các loại đá CBN đang được các công ty chế tạo của nước ngoài (ví dụ như
Yamaha, Honda, v.v) sử dụng để gia công khá phổ biến và chúng chủ yếu được
nhập khẩu từ nước ngoài, trong khi ở nước ta chưa có công trình nghiên cứu nào về
vấn đề này, cũng như chưa nắm được công nghệ sản xuất chúng. Chính vì vậy, đề
tài “Nghiên cứu chế tạo và đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài CBN liên kết kim
loại bằng phương pháp mạ điện” là điều rất cần thiết nhằm đặt cơ sở ban đầu cho
việc nghiên cứu chế tạo loại đá mài này trong nước.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án
- Nghiên cứu chế tạo đá mài CBN đơn lớp liên kết kim loại bằng phương pháp
mạ điện.
- Đánh giá độ bền của cầu liên kết và khả năng cắt gọt của đá mài được chế
tạo.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đá mài CBN đơn lớp chế tạo bằng phương pháp mạ điện trên nền thép C45
3
và khả năng cắt gọt của đá mài được chế tạo.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp theo mẫu: Tiến hành các phân tích tổng quan một số mẫu đá
CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện do Nhật Bản và Trung Quốc sản
xuất để có các cơ sở lý thuyết và thực tế phục vụ cho quá trình nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm:
Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các các thông số công nghệ khi
chế tạo đá mài. Nghiên cứu thực nghiệm được sử dụng trong quá trình chế tạo đá và
thực nghiệm mài để đánh giá đặc tính mài của đá được chế tạo.
5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo đá mài CBN đơn lớp liên kết kim loại niken
bằng phương pháp mạ điện dạng hình trụ, có đường kính từ 10 15, chiều dài từ
10 15 mm, kích cỡ hạt mài CBN để chế tạo đá mài: #140/170 tương ứng với kích
cỡ hạt mài từ 90 106 m, trên nền thép C45.
- Đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài khi mài phẳng. Trong phạm vi nghiên
cứu bước đầu chỉ giới hạn đánh giá hai yếu tố cơ bản đặc trưng cho khả năng cắt gọt
của đá mài là hệ số mài và nhám bề mặt của chi tiết mài.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
+ Ý nghĩa khoa học:
Kết quả nghiên cứu có những ý nghĩa khoa học sau:
- Phân tích, đánh giá và lựa chọn công nghệ mạ điện phù hợp để chế tạo đá mài
đơn lớp CBN;
- Xây dựng được công thức xác định hệ số phân bố hạt mài (KPBQU và KPBT), căn
cứ vào đó thiết lập được phương trình xác định chiều dày chôn lấp gần đúng của hạt
mài khi mạ.
- Xác định được ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản (mật độ dòng,
thời gian, tốc độ quay của chi tiết, nhiệt độ) của phương pháp mạ điện niken đến sự
phân bố của hạt mài trên bề mặt của đá mài chế tạo;
- Đánh giá được khả năng cắt gọt của đá mài chế tạo theo hai yếu tố là hệ số mài
G và nhám bề mặt chi tiết mài Ra, Rz.
4
- Bước đầu đặt cơ sở khoa học cho việc đưa ra được công nghệ chế tạo đá mài
CBN liên kết kim loại niken bằng phương pháp mạ điện tại Việt Nam.
+ Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu của luận án đặt khởi đầu cho việc nghiên cứu chế tạo đá
mài CBN liên kết kim loại niken bằng phương pháp mạ điện và chế thử ở quy mô
phòng thí nghiệm, có thể áp dụng vào thực tế sản xuất trong nước. Các kết quả của
đề tài cũng là tài liệu tham khảo cho công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học
trong lĩnh vực chế tạo đá mài.
7. Đóng góp mới của luận án
- Đề xuất một phương pháp chế tạo và một bộ các thông số công nghệ để chế
tạo đá mài CBN đơn lớp liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện niken.
- Xây dựng được công thức xác định hệ số phân bố hạt mài (KPBQU và KPBT),
căn cứ và đó thiết lập được phương trình xác định chiều dày chôn lấp gần đúng của
hạt mài khi mạ.
- Phương pháp đánh giá được khả năng cắt gọt của đá mài chế tạo bằng
phương pháp mạ điện.
8. Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án
Nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương:
Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2 Vật liệu thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu
Chương 3 Nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính năng thiết bị thí nghiệm
Chương 4 Nghiên cứu chế tạo và đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài
5
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁ MÀI CBN VÀ CÔNG
NGHỆ MẠ ĐIỆN
1.1. Quá trình mài, đá mài CBN và đá mài CBN đơn lớp
1.1.1. Quá trình mài
Mài là phương pháp gia
công cắt gọt đầu tiên mà con
người tìm ra, kể từ khi người cổ
đại cọ xát vũ khí hay công cụ
lao động của mình xuống các
phiến đá và nhận thấy điều đó
có tác dụng làm sắc dụng cụ
hay vũ khí của mình [12].
Hình 1.1. Mô hình vùng mài của quá trình mài
Ngày nay, mài là một trong những phương pháp gia công tinh thông dụng, có
hiệu quả kinh tế cao và đáp ứng được các đòi hỏi của kỹ thuật gia công hiện đại.
Mài cho phép gia công được nhiều loại bề mặt như mặt trụ ngoài, mặt trụ trong, mặt
then hoa, biên dạng răng và nhiều bề mặt phức tạp khác.
Mài kim loại là một trong những phương pháp gia công cắt gọt, giống như
gia công tiện, phay, khoan v.v... trên các máy cắt kim loại nói chung. Tuy nhiên,
mài có những đặc điểm riêng biệt như vận tốc cắt cao, chiều sâu lớp kim loại bị hớt
bỏ có thể đạt được rất bé (từ vài phần trăm đến vài phần nghìn mm). Thông thường
vận tốc cắt khi mài nằm trong khoảng 25 m/s đến 35 m/s. Với mài cao tốc, vận tốc
cắt khoảng 100 m/s hoặc lớn hơn. Vận tốc này lớn hơn 10 60 lần so với vận tốc
cắt khi tiện. Thời gian cắt của một hạt mài trong một lần cắt diễn ra nhanh khoảng
0,0001 0,0005 s. Nhiệt cắt trong vùng mài rất cao, có thể đạt tới 1000 oC.
Quá trình cắt khi mài (hình 1.1) được thực hiện bởi rất nhiều lưỡi cắt của
các hạt mài có hình dạng hình học không giống nhau và thường xuyên thay đổi
trong quá trình mài được gắn trên bề mặt của đá mài. Khi mài, một phần phoi
được tạo ra trong quá trình mài sẽ được đưa ra ngoài, trong khi có thể có một phần
còn lại sẽ được chèn vào các khe hở giữa các hạt mài và bị giữ lại tại đó, làm giảm
6
chiều cao nhô ra của các hạt mài. Sau một thời gian mài, các hạt mài sẽ bị cùn
dần, khả năng ăn sâu vào vật liệu gia công giảm do đó lực cắt tăng lên, khả năng
cắt của đá bị suy giảm nhanh.
Trong ngành chế tạo máy hiện đại, độ chính xác gia công của các chi tiết
máy ngày một đòi hỏi phải nâng cao để đáp ứng được yêu cầu làm việc của thiết bị.
Do vậy, nguyên công mài ngày càng chiếm một tỷ trọng lớn trong gia công các chi
tiết máy vì mài là phương pháp gia công chính xác cao, đóng vai trò quyết định đến
chất lượng sản phẩm. Mài có một số đặc điểm nổi bật như sau [12]:
- Mài được thực hiện bằng nhiều hành trình, do đó có khả năng sửa sai số hình
dáng và sai số vị trí của chi tiết gia công;
- Quá trình cắt được thực hiện bằng nhiều hạt mài có độ cứng cao;
- Quá trình cắt được thực hiện với vận tốc cắt cao, phổ biến từ 25 35 m/s
trong các quá trình mài thông thường và có thể lên đến 300 m/s cho mài cao
tốc;
- Do tốc độ cắt cao, thông số hình học của lưỡi cắt không hợp lí nên nhiệt độ
vùng cắt cao, có thể lên đến 1000 oC;
- Điều khiển quá trình mài chỉ có thể thực hiện bằng cách thay đổi chế độ cắt
như chiều sâu mài, bước tiến dao dọc, dao ngang, bởi vì thay đổi hình học
của các hạt mài hầu như không thể thực hiện được;
- Bề mặt mài được hình thành nhờ tác động của các yếu tố hình học đặc trưng
cho quá trình cắt và quá trình biến dạng dẻo kim loại.
Ngày nay, mài không chỉ được dùng trong gia công tinh, mà còn được dùng
ngày càng nhiều ở các nguyên công gia công phá, gia công thô và cắt đứt.
1.1.2. Đá mài – thành phần và cấu trúc
Dụng cụ cắt sử dụng trong nguyên công mài là đá mài. Đá mài đóng vai trò
rất quan trọng đến chất lượng và giá thành mài, đặc biệt là trong các nguyên công
mài định hình như mài bề mặt răng của bánh răng, mài các bề mặt dẫn hướng v.v…
Cấu trúc của đá mài là một thể gồm 3 pha: Hạt mài làm nhiệm vụ cắt kim
loại, chất dính kết có nhiệm vụ liên kết các hạt mài lại với nhau thành một khối và
lỗ khí có trong đá mài.
7
* Hạt mài: Hạt mài là thành
phần chính của đá mài, mỗi hạt mài có
nhiệm vụ như một lưỡi cắt nên nó phải
có yêu cầu như các loại vật liệu làm
lưỡi cắt. Hình dạng hình học của các hạt
mài thường không thuận lợi cho quá
trình cắt. Hầu hết các hạt mài đều có góc
cắt âm [12]. Hạt mài phải có độ cứng rất
cao để có thể cắt được các loại vật liệu
có độ cứng cao như hợp kim cứng hay
thép tôi. Trong ngành chế tạo đá mài, hạt
mài được chia ra hai loại:
- Loại phổ thông (hạt mài truyền
thống): như nhôm ôxít (Al2O3), silic
cacbua (SiC);
Hình 1.2. Đá mài đa lớp [77]
- Loại đặc biệt (hạt mài siêu cứng): gồm CBN và kim cương.
* Chất dính kết: Chất dính kết có nhiệm vụ liên kết các hạt mài lại với nhau
thành một khối và giữ cho các hạt mài không bị văng ra khỏi đá khi cắt vào chi tiết
gia công.
Các chất dính kết có yêu cầu sau [12]:
- Tạo ra được độ kết dính phải đủ bền để có thể chịu được tác động của lực
mài, nhiệt độ và các lực li tâm mà không bị vỡ ra;
- Chịu được các tác dụng hoá học từ các dung dịch trơn nguội khi cắt;
- Đảm bảo độ rắn chắc, khả năng giữ được các hạt mài trong suốt quá trình
gia công;
- Có khả năng loại bỏ những hạt mài đã bị cùn trong quá trình mài ra khỏi
đá (đối với đá mài đa lớp).
Có 3 loại chất dính kết chủ yếu được sử dụng là: Chất dính kết kim loại, chất
dính kết thuỷ tinh hoá và chất dính kết nhựa.
* Lỗ khí: Là các lỗ khí chứa trong đá đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến
khả năng cắt gọt của đá cũng như thời gian và chất lượng của quá trình sửa đá. Tuy
nhiên lỗ khí có thể không có một trong một số loại đá mài.
Tải về để xem bản đầy đủ
141 trang
21540
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu chế tạo và đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_nghien_cuu_che_tao_va_danh_gia_kha_nang_cat_got_cua.pdf
