Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt (Vđá, t, Sd) đến rung động khi mài phẳng và quan hệ giữa rung động và chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi mài bằng đá mài chế tạo tại Việt Nam (nhà máy đá mài Hải Dương)

Lời nói đầu Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển với một tốc độ vũ bão, mang lại những lợi ích to lớn cho con người. Để nâng cao đời sống của nhân dân, để hội nhập vào sự phát triển chung của đât nước trong khu vực, cũng như các nước trên thế giới, Đảng và nhà nước ta đã đề ra mục tiêu trong những năm tới là thực hiện “Công nghiệp hóa và hiện đại hóa” đất nước. Muốn thực hiện “Công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước”, một trong những ngành cần quan tâm phát triển mạnh là cơ khí chế tạovì cơ khí chế tạo có vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra các các thiết bị, công cụ cho mọi ngành kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cần thiết để các ngành này phát triển mạnh hơn. Trong tất cả các loại dụng cụ cắt được dùng phổ biến thì đá mài là dụng cụ cắt gọt được sử dụng rộng rãi nhất trong Công nghiệp cơ khí. Nó dùng để gia công thô và tinh các vật liệu kim loại, phi kim loại với những ưu điểm: Độ chính xác cao. Chất lượng bề mặt gia công cao, thông thường đạt Ra = 1,25 -0,63 Gia công được các loại vật liệu cứng như: hợp kim, thép đặc biệt, thủy tinh… và các loại vật liệu mềm như: gỗ, cao su, đá… Năng suất cắt gọt cao, lượng dư gia công nhỏ. Tỷ lệ máy mài trong tổng số máy cắt kim loại nói chung chiếm khoảng 30%, trong một số ngành đặc biệt (như trong chế tạo vòng bi…) máy mài chiếm đến 60%. Hiện nay mài không những chỉ được dùng nhiều ở các nguyên công gia công tinh và bán tinh mà còn được dùng ngày càng nhiều ở các nguyên công gia công thô khi cần có năng suất và hiệu quả kinh tế cao. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mài. Trong đó rung động có ảnh hưởng lớn đến quá trình mài(đặc biệt là độ chính xác bề mặt chi tiết gia công). Nên em được giao nhiệm vụ nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt (Vđá, t, Sd) đến rung động khi mài phẳng và quan hệ giữa rung động và chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi mài bằng đá mài chế tạo tại Việt Nam (nhà máy đá mài Hải Dương)”. Trong quá trình làm đồ án này chúng em đã gặp rât nhiều khó khăn nhưng được sự chỉ bảo tận tình của cô giáo chúng em đã hoàn thành đồ án này đúng thời hạn dù vẫn còn nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, các bạn để đồ án có chất lượng tốt hơn. CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH MÀI VÀ MÀI PHẲNG 1.1 BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH MÀI 1.1.1. Quá trình mài Mài là một phương pháp gia công kim loại được biết từ lâu, tuy nhiên phải đến thế kỷ 19 khi xuất hiện máy mài và các vật liệu tổng hợp thì việc gia công bằng mài mới có bước phát triển nhảy vọt Mài là nguyên công gia công tinh có thể gia công được nhiều dạng mặt phẳng khác nhau như mặt trụ ngoài, mặt trụ trong, mặt phẳng và mặt định hình. Bản chất của quá trình mài là sự cào xước tế vi bề mặt của vật rắn bằng những hạt mài có vận tốc cao, thường 20m/s với máy mài thường và 200m/s với máy mài cao tốc. Gia công bằng mài cho phép đạt độ chính xác 2-3, đôi khi cấp 1 và độ bóng bề mặt cấp 8-9. Trong một số trường hợp mài được sử dụng để làm sạch phôi đúc và phôi rèn hoặc để tẩy sạch xỉ hàn, có nghĩa là nguyên công chuẩn bị phôi hoặc nguyên công thô. Mài có những đặc điểm sau đây: Mài được thực hiện bằng nhiều hành trình, do đó có khả năng sửa lại sai số hình dáng và kích thước của chi tiết gia công. Quá trình cắt được thực hiện bằng nhiều hạt mài có độ cứng tế vi cao(2200-3100 kG/mm). Quá trình cắt được thực hiện với tốc độ cắt cao của hạt mài (30-70m/s). Các hạt mài được bố tri lộn xộn, vì vậy thông thường chúng có góc trước âm và góc cắt lớn hơn 90. Tốc độ cắt lớn và điều kiện cắt không thuận lợi làm tăng nhiệt độ cắt (1000-1500C). Điều khiển quá trình mài chỉ có thể được thực hiện bằng cách thay đổi chế độ cắt, bởi vì thay đổi hình học của các hạt mài hầu như không thể thực hiện được. Trong quá trình gia công đá mài có thể tự mài sắc bởi vì hạt mài sau khi bị mài mòn làm cho lực cắt tăng, dưới tác dụng của lực cắt lớn các hạt mài tự bẻ gãy và tạo ra các hạt mài mới có cạnh sắc mới. 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. Trong quá trình cắt, các hạt mài có lưỡi cắt luôn luôn thay đổi nhưng hầu như tất cả chúng đều có góc trước âm. Nghiên cứu riêng rẽ quá trình cắt của một hạt mài ta có thể nhận thấy nó tương tự như quá trình cắt của một dao tiện với góc trước âm ( g < 0 ). Vậy có thể dựa vào một mô hình cắt khi tiện để xây dựng một mô hình cắt khi mài - Mặt trước ECB (phoi khi tách ra sẽ theo mặt này) - Mặt sau BC1E1 Hình 1-1: Sơ đồ xác định góc trước của hạt mài. [11] Gọi: ρ - Bán kính cong của đỉnh hạt mài. ax - Độ dày lớp cắt tại điểm x γx - Góc trước tại điểm x a - Độ dày lớp vật liệu bị cắt khi mài. Khi đó: (1-1) Góc cắt thực tế tại điểm x là Do γx thay đổi theo vị trí cắt x mà mức độ biến dạng của vật liệu sẽ khác nhau, đặc biệt: - ax = 0 thì γx = 900 lúc đó quá trình cắt không xảy ra mà chỉ có hiện tượng biến dạng bề mặt. - ax = ρ thì γx = 0 lúc đó xảy ra sự trượt trơn giữa bề mặt đá và bề mặt chi tiết Như vậy ta thấy rằng, bản thân đá mài là một dụng cụ đặc biệt, không những thế hình học của phần cắt trên mỗi hạt mài cũng không giống nhau, chúng lại thay đổi liên tục trong quá trình gia công, mặt khác số lượng các hạt mài tham gia cũng liên tục thay đổi. Vì vậy quá trình mài là một quá trình cắt phức tạp. Các hiện tượng sảy ra trong quá trình mài và mối quan hệ giữa chúng có thể được mô hình hoá như sơ đồ hình 1.2. [13] Quá trình mài phẳng Mài phẳng là phương pháp gia công tinh các mặt phẳng sau khi qua phay hoặc bào, đã hoặc chưa qua nhiệt luyện. Ngoài ra mài phẳng còn có thể thay cho phay, bào trong sản xuất hoặc để gia công các chi tiết khó định vị và kẹp chặt. Ngày nay do trình độ công nghệ được nâng cao, xu hướng chung là người ta tập trung nghiên cứu thực hiện tối ưu hoá quá trình tạo phôi, giảm lượng dư gia công cắt gọt, nâng cao độ chính xác hình dạng, độ chính xác kích thước cũng như chất lượng bề mặt phôi, sau đó dùng mài thô thay cho các phương pháp gia công cắt gọt khác nhằm tiết kiệm vật liệu, giảm chi phí gia công cơ và rút ngắn qui trình công nghệ, đặc biệt đối với các chi tiết khó gá đặt (ví dụ: séc măng). Mài phẳng có thể đạt độ chính xác cấp 7- 6, độ nhám bề mặt Ra = 1,6 - 0,4 mm. Mài phẳng có thể thực hiện theo hai phương pháp: mài phẳng bằng mặt đầu đá hoặc mài phẳng bằng đá mài hình trụ. Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu : Vn - Vận tốc chi tiết Vd - Vận tốc đá mài Hình 1.3. Mài phẳng bằng mặt đầu đá Hình 1.4. Sơ đồ mài phẳng song song bằng hai đá mặt đầu Phương pháp này cho năng suất cao hơn, vì số lượng hạt mài đồng thời tham gia cắt nhiều hơn . Tuy nhiên do nó lớn hơn. Mặt khác khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và tưới dung dịch trơn nguội khó khăn hơn vì vậy dễ gây biến dạng nhiệt, tạo ra vết cháy, vết nứt tế vi trên bề mặt vật mài. Nói chung độ chính xác và độ nhẵn bề mặt đạt được thấp hơn khi mài bằng đá mài hình trụ. Mài phẳng bằng đá mài hình trụ: Mài phẳng bằng đá mài hình trụ thực hiện trên máy mài phẳng có bàn máy chuyển động tịnh tiến khứ hồi thực hiện tiến dao dọc sdọc, đầu mang dao thực hiện chuyển động tịnh tiến dao ngang sngang để mài hết chiều rộng chi tiết và tiến dao dọc sdọc sau một lượt mài để mài hết lượng dư gia công (hình 1-5.a) hoặc thực hiện trên máy có bàn máy quay tròn quanh tâm của nó còn đầu đá thực hiện chuyển động tiến dao ngang sngang và chuyển động tiến dao dọc sdọc sau mỗi lượt mài (hình 1-5.b). Hình 1-5: Sơ đồ các phương pháp mài phẳng bằng đá mài hình trụ. Phương pháp này có diện tích tiép xúc giữa đá và chi tiết nhỏ, lượng hạt mài đồng thời tham gia vào quá trình cắt ít hơn, lượng nhiệt toả ra ít hơn. Mặt khác khả năng thoát nhiêt, thoát phoi và tưới dung dịch trơn nguội vào vùng gia công dễ dàng hơn, do đó phương pháp này cho độ chính xác và độ nhẵn bề mặt cao hơn phương pháp trên, đảm bảo độ chính xác cấp 7 và chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra = 1,6 μm, nếu chuẩn bị công nghệ cẩn thận có thể đạt cấp chính xác cấp 6 và Ra = 0,4 μm. Tuy nhiên do diện tích tiếp xúc giữa đá và chi tiết nhỏ nên năng suất thấp. Để khắc phục nhược điểm này người ta có thể sử dụng đá có bề rộng lớn hơn bề rộng chi tiết. Trong trường hợp này đầu đá chỉ thực hiện tiến dao dọc sdọc sau mỗi hành trình kép của bàn máy, tuy nhiên máy phải đảm bảo độ cứng vững và phải sửa đá cẩn thận để tránh đầu đá bị côn hoặc đường sinh đá không thẳng dễ gây ra sai số in đập trên bề mặt chi tiết gia công. Mài phẳng bằng đá mài hình trụ có thể thực thực hiện theo hai cách: -Cách thứ nhất: ăn dao nhiều lần, chiều sâu cắt cho mỗi lần chạy dao nhỏ nhưng lượng chạy dao lớn. Cách này cho phép giảm tối đa ảnh hưởng của nhiệt cắt, áp dụng khi gia công tinh và gia công các chi tiết mỏng. -Cách thứ hai: mài với chiều sâu cắt lớn sao cho toàn bộ chiều sâu cắt có thể được bóc đi sau một, hai lần ăn dao. Khi đó các hạt mài ở phía cạnh đá chịu tải trọng lớn nên bị mài mòn và bong tróc nhiều hơn, vì vậy đá sẽ bị tang trống ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Cách này chỉ sử dụng khi gia công thô các vật liệu gang đúc và thép chưa nhiệt luyện với lượng dư lớn. 1.1.3. Độ cứng của đá mài Độ cứng là một trong những đặc tính quan trong nhất của đá mài. Độ cứng của đá mài là khả năng chống lại sự rứt hạt mài ra khỏi mặt làm việc của đá dưới tác dụng của ngoại lực. Độ cứng của hạt mài được đo bằng nhiều phương pháp: phun cát, lăn bằng con lăn thép tôi với tải trọng nhất định theo bề mặt đá mài, dụng cụ đo độ cứng rôcoen… và dựa trên chiều sâu của vết để lại trên bề mặt dụng cù mài để đánh giá độ cứng. Tuy nhiên những phương pháp trên đều chưa đặc trưng được hoàn toàn khả năng làm việc của đá mài. Tiêu chuẩn khách quan hơn để đánh giá chất lượng của đá mài là tuổi bền ( thời gian làm việc giữa hai lần sửa đá ), hoặc số chi tiết gia công được trong khoảng thời gian đó hoặc lượng tiêu hao đá ( tính bằng cm3) khi cắt đi được 1 cm3 vật liệu gia công. 1.1.4. Độ hạt của đá mài Trước đây độ hạt của đá mài được quy ước ký hiệu bằng số lỗ có trong một tấc vuông Anh của dây phân loại hạt. Cách ký hiệu như vậy hiện nay vẫn còn được sử dụng ở một số nước. Hiện nay người ta quy ước ký hiệu độ hạt mài bằng trị số kích thước của lỗ dây. Thể hiện ở bảng dưới đây.[11]  1.1.5. Ký hiệu đá mài Với mỗi nước do trình độ kỹ thuật và điều kiện sản xuất khác nhau nên ký hiệu đá mài ở mỗi nước cũng khác nhau Ký hiệu 1 viên đá mài của Mỹ là: W A46 K5 V17 Trong đó W : Mã đá (mã của nhà sản xuất) A : Tên loại hạt vật liệu mài, ở đây chữ “A” là ký hiệu của Aluminum oxide, ngoài ra còn có Silicon carbide ký hiệu là chữ “C” 46 : Cỡ hạt mài, người ta phân chia thành cac loại hạt như sau loại nhỏ: 8-24 (1.10-3 mm) loại trung bình: 30-60 loại tốt: 70-180 loại rất tốt: 220-600 K : độ cứng, nó được ký hiệu bởi các chữ cái từ A, loại mềm nhất đến Z, loại cứng nhất 5 : cấu trúc đá, khoảng trống giữa các hạt mài được biểu diễn bởi các số từ 1 đến 15 trong đó cấu trúc 1 là khoảng trống nhỏ nhất còn 15 là rộng nhất V : thủy tinh B : nhựa (thông) R : cao su E : nhựa cây 17 : mã chất kết dính (mã của nhà sản xuất) Kí hiệu đá mài của Việt Nam Cn 36 CV G 6 V 400 x 40 x 127 Trong đó Cn : hat mài conrindon 36 : cỡ 36 CV : độ cứng vừa G : chất kết dính gốm 6 : cấu trúc 6 V: hình dạng đá Dưới đây là bảng so sánh kí hiệu đá mài ở một số nước: [11] 1.1.6. Tình hình nghiên cứu, phát triển đá mài trong nước và thế giới Đá mài đóng vai trò quan trọng trong ngành cơ khí đã hơn 150 năm nay. Trong sản xuất, đá mài có hiệu quả nhất trong việc tạo hình dạng bề mặt và gia công tinh thép hoặc các loại vật liệu khác. Đá sa thạch, một loại vật liệu hữu cơ được làm từ thạch anh (một loại hạt co trong ximăng tự nhiên) có lẽ là loại vật liệu mài sớm nhất, nó được sử dụng để làm trơn và mài sắc vật rắn trên các cạnh. Vào thế kỷ XIX, bột mài ( loại bột khoáng tự nhiên chứa trong sắt và khoáng corundum ) đã được sử dụng để cắt và tạo hình kim loại. Tuy nhiên, do chất lượng hạt mài thay đổi và việc phải nhập khẩu từ Ấn Độ đã thúc đẩy nước Mỹ đẩy mạnh nghiên cứu để tìm ra những loai hạt mài có hiệu quả hơn Năm 1890, các nhà nghiên cứu đã sãn xuất được cacbit silicon, một loại khoáng tổng hợp nặng hơn corundun. Từ những nghiên cứu về đá tổng hợp người đã sản xuất corundum tổng hợp hay oxit aluminum. Từ dẫn xuất của quặng nhôm, chúng được phát triển thành những vật liệu đá mài đáng tin cậy hơn cả khoáng tự nhiên và oxit silicon, đó vật liệu siêu mài cubic boron nitride (CBN). Đây là loại hạt có độ cứng đứng thứ hai chỉ sau kim cương tổng hợp. Đá mài được sử dụng với các kích cỡ đa dạng từ đá có đường kính 25 inch ( 63 cm ) đến đá có đường kính vài feet (1 feet = 0,3048 m ). Chúng được sử dụng với nhiều hình dạng khác nhau như đĩa phẳng, trụ, đá mài cốc, hình côn và đá mài với nhiều dạng lưỡi cắt khác nhau. Trong đá mài thành phần chủ yếu và quan trọng nhất là hạt mài và vật liệu chất dính kết. Ngoài ra các chất phụ gia được trộn để tạo ra loại đá với những tính chất cần thiết để có thể gia công được các vật liệu đặc biệt với hình dạng mà con người mong muốn. Hầu hết đá mài được sản xuất bởi phương pháp dập nguội. Đặc điểm của phương pháp này là những thay đổi tùy thuộc vào mẫu đá và điều kiện công nghệ của từng nơi sản xuất. Quá trình sản xuất được phân chia thành từng quá trình: Pha chế nhào trộn -tạo hình - nung đốt - gia công. Những thay đổi trong công nghệ sản xuất đòi hỏi ta phải xác định rõ yêu cầu về đá mài trong tương lai. Việc sử dụng những loại vật liệu mới đòi hỏi nhu cầu về những loại đá mài mới chuyển từ sản xuất đá mài bằng vật liệu aluminum oxit truyền thống sang các loại vật liệu tổng hợp mới như keo hạt aluminum oxit và cubic boron nitride(CBN). Tuy nhiên việc chuyển đổi sang các loại vật liệu mới cũng gặp những trở ngại đó là thiết bị sản xuất hay các phương pháp công nghệ không đủ khả năng để có thể sử dụng hiệu quả các loại đá mài mới này. Do vậy các loại đá mài truyền thống vẫn được sử dụng rông dãi ở nhiều nơi. Một số loại vật liệu dùng để làm đá mài hiện nay: Ôxit Aluminum được dùng để làm đá mài mài những vật liệu như thép cứng, sắt đã rèn, đổng thiếc rắn Đá mài silicon carbide được dùng để mài những vạt liệu căng dài như nhôm, đồng, kẽm Ngoài ra còn một số vật liệu khác như Cubic Boron Nitride(CBN), kim cương… Trên thế giới hiện nay đá mài cao tốc được sản xuất rất rộng rãi. Trung Quốc thường sản xuất đá mài có tốc độ sử dụng 35 m/s, Nga thường sản xuất đá mài có tốc độ sử dụng 45 ¸ 60 m/s và nghiên cứu chế tạo thành công đá mài có độ xốp cao sử dụng ở tốc độ 60 m/s loại đá mài này có ưu điểm tốc độ cắt gọt rất cao và ít phát nhiệt khi mài. Mỹ thường sản xuất đá mài có tốc độ sử dụng 50 m/s song tuổi thọ của đá mài thường cao hơn so với các nước khác vì họ sử dụng một số loại hạt mài đặc chủng. Theo một báo cáo trong hội nghị gia công tốc độ cao tại Pháp năm 2001, các nhà nghiên cứu từ Tunisia, Nhật Bản đã chế tạo được loại đá mài CBN đạt tốc độ 380 m/s trong những ứng dụng gia công đặc biệt. Ở Việt Nam, Công ty Đá mài Hải Dương - Nhà máy sản xuất đá mài hàng đầu Việt Nam từ năm 1966 đến năm 1998 mới chỉ sản xuất đá mài 30m/s. Từ năm 1998 do nhu cầu của thị trường Công ty đã nghiên cứu sản xuất thành công đá mài 35m/s. Những năm gần đây do công nghệ gia công cơ khí ở nước ta phát triển mạnh, Công ty đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và sản xuất thử một số loại đá mài cao tốc hạt Corindon, chất kết dính gốm, tốc độ sử dụng 45¸ 60 m/s cung cấp cho một số cơ sở sản xuất sử dụng như: Nhà máy Cơ Khí Nông nghiệp - Hà Tây, Nhà máy Điêzen Sông Công - Hà Đông, Nhà máy Cơ Khí - Hà Nội, Dụng Cụ Cắt Gọt - Hà Nội…Tại các cơ sở trên đá mài cao tốc của công ty đá mài Hải Dương sản xuất được đánh giá tốt, mở ra triển vọng cho sự phát triển của ngành sản xuất đá mài cũng như tạo bước chuyển biến trong kỹ thuật gia công cơ khí bằng phương pháp mài. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA MÀI PHẲNG Hình 1.2 đã chỉ ra sơ đồ tổng quát các hiện tượng xảy ra trong quá trình mài và mối quan hệ giữa chúng. Trong phần này, ta sẽ xem xét cụ thể hơn các đại lượng xuất hiện trong quá trình mài là: lực cắt, nhiệt cắt, rung động, mòn đá trong quá trình mài. Chúng có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt khi mài. Nghiên cứu chúng để có các biện pháp hợp lý đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt khi mài. Hình 1.2. Sơ đồ đặc điểm quan hệ của quá trình mài [13] Lực cắt khi mài phẳng Lực cắt đặc trưng cho quá trình mài về phương diện vật lý. Lực cắt khi mài là nguồn động lực gây ra các biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, rung động, nhiệt cắt trong vùng gia công và nó cũng xác định chế độ mòn của đá mài. Khi lực cắt tăng, tuổi bền của đá giảm, độ chính xác gia công giảm và độ nhám bề mặt tăng lên. Đặc biệt, những thay đổi tức thời của lực cắt là nguyên nhân chính gây ra các dao động cưỡng bức của đầu đá tạo nên sóng bề mặt và dạng sai số khác. Các công trình nghiên cứu đã chứng minh được rằng lực dọc trục Px khi mài rất bé và có thể bỏ qua. Lực cắt khi mài phẳng có thể chia làm hai thành phần như sơ đồ hình 1.6. [11] Pc - Lực cắt toàn phần Py - Lực cắt hướng kính Pz - Lực cắt tiếp tuyến Hình 1.6. Các thành phần lực cắt khi mài phẳng [11] Lực cắt tiếp tuyến còn được gọi là lực vòng, nó quy định độ lớn của mômen xoắn và công suất tiêu hao của quá trình mài. Lực cắt Py vuông góc với bề mặt gia công, nó có xu hướng làm cong trục gá đá theo phương ngược với phương chạy dao thẳng đứng. Độ lớn của lực cắt phụ thuộc vào số lượng hạt mài đồng thời tham gia cắt, chiều dày lớp kim loại do mỗi hạt mài bóc đi, hệ số ma sát giữa bề mặt chi tiết với đá mài. Lực cắt là thông số cơ bản quyết định đặc tính mòn của đá mài. Khi nghiên cứu động học quá trình cắt của từng hạt mài riêng lẻ các nhà nghiên cứu đưa ra sơ đồ tính giả định như hình 1.7. Hình 1.7. Sơ đồ tính lực cắt giả định khi mài phẳng [11] Trên hình vẽ, N là lực cắt vuông góc với mặt cắt tức thời của từng hạt mài, lực này có xu hướng giữ cho hạt mài không tách ra khỏi bề mặt gia công và xác định từ điều kiện bền theo ứng suất cắt của vật liệu gia công. S là lực cần để thắng ma sát.T phản lực tạo bởi ma sát giữa bề mặt làm việc của hạt mài với vật liệu hạt mài khi chúng chuyển động tương đối với nhau. Nếu phân tích hai lực này theo phương vuông góc và song song với phương chạy dao sẽ có hai thành phần Py và Pz. Xuất phát từ sơ đồ này có mối quan hệ : (1.5) Ở đây γ - góc trước m - hệ số ma sát theo mặt trượt m-n Ta có thể nhận xét rằng, công thức trên chỉ có tính tương đối, vì góc γ phụ thuộc vào chiều sâu ăn vào kim loại và độ mòn của hạt mài.Chiều sâu này không cố định, mà thay đổi liên tục theo thời gian. Mặt khác số lượng hạt mài rất lớn, chiều cao nhô ra khỏi chất dính kết không đều nhau, hệ số ma sát m phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện gia công như thành phần vật liệu, dung dịch trơn làm nguội…Như vậy, công thức này chỉ có ý nghĩa tham khảo. Nó không thể sử dụng trong các điều kiện sản xuất cụ thể. Giáo sư Lierath(Đức) khi xây dựng mô hình lực cắt cho quá trình mài cũng đưa ra công thức tính lực cắt như sau: Py = Fhkl.Nie = (1.6) Pz = (1.7) Ở đây K= (1.8) Py – lực cắt hướng kính tổng cộng Pz – lực cắt tiếp tuyến tổng cộng F – tốc độ trượt của phoi trên lưỡi cắt (m/s) Sn – lượng tiến dao hướng kính (mm /hành trình kép) h – độ nhớt của màng kim loại phoi chuyển động trên bề mặt hạt mài h – chiều dày của phoi m – hệ số ma sát, hệ số này phụ thuộc vào chế độ cắt a – chiều rộng của chi tiết (mm) r – hệ số phụ thuộc vào hình dạng lưỡi cắt của đá Cda – hệ số phụ thuộc mật độ của lưỡi cắt của đá Nie – số lưỡi cắt nằm trong vùng tiếp xúc giữa đá và chi tiết Số lưỡi cắt này theo Werner [6] có thể xác định theo công thức sau: Nie= (1.9) Ndong – số lưỡi cắt động trong vùng tiếp xúc giữa đá và chi tiết gia công. Do quá trình mài có nhiều đặc điểm rất khác biệt như vận tốc cao, chiều dày lớp cắt mỏng, góc trước γ âm và luôn thay đổi trong quá trình mài, quy luật phân bố và hình dáng hình học của hạt mài không cố định nên việc xác định lực cắt khi mài rất phức tạp. Giá trị tuyệt đối của lực cắt khi mài Py được tính theo các công thức khác nhau. Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu đều xác nhận một số điểm chung: [13] Chế độ mài (vận tốc chi tiết, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) ảnh hưởng lớn đến lực cắt và công suất cắt. Vận tốc đá tăng, lực cắt tiếp tuyến giảm. Tỷ số Py/Pz với vật liệu mềm thay đổi từ 1,3 đến 1,6; còn vật liệu đã qua nhiệt luyện, tỷ số này thay đổi từ 2-3; đôi khi đến 6-7 lần Đường kính đá tăng, công suất mài tăng Công suất mài phụ thuộc vào đường kính đá không rõ nét, trong phần lớn các trường hợp, khi độ cứng đá tăng công suất mài và lực cắt hướng kính tăng Khi độ cứng đá không thay đổi, vật liệu chất dính kết và kết cấu đá ít ảnh hưởng tới lực cắt khi mài Kết cấu đầu sửa đá và chế độ sửa đá ảnh hưởng tới lực cắt rất phức tạp. Lực cắt không phụ thuộc vào chiều sâu lớp đá bóc đi. Một đặc tính đặc biệt của lực cắt khi mài là nó không ổn định trong suốt quá trình gia công. Có nhiều nguyên nhân gây ra độ không ổn định của lực cắt. Sau đây là các nguyên nhân cơ bản: Giá trị tức thời lực cắt khi mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ cắt, chế độ sửa đá, điều kiện mài, đặc tính của đá… Hầu hết các hạt mài đều có đều có góc trước g âm và tăng dần theo thời gian.Vì vậy, lực cắt hướng kính sẽ tăng dần. Độ không cân bằng của đá mài, sai số hình dáng hình học của đá, lượng dư gia công và độ cứng không đều trên các điểm khác nhau sẽ làm cho chiều sâu cắt thay đổi, lực cắt tức thời cũng thay đổi theo Sự thay đổi tức thời của tiết diện phoi, độ mòn và độ cùn của đá, cường độ xuất hiện của quá trình tự mài sắc và nhiều yếu tố khác nữa cũng làm cho lực cắt thay đổi Do lực cắt thay đổi liên tục trong quá trình gia công làm cho biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ và vân tốc bóc kim loại thực tế cũng thay đổi theo, ứng suất nhiệt tại các điểm khác nhau của bề mặt gia công sẽ không giống nhau. Chất lượng bề mặt vật mài do đó bị giảm, các cơ cấu máy bị mòn trước thời hạn và không đều nhau, tuổi bền đá giảm. 1.2.2. Nhiệt cắt trong quá trình mài phẳng Mài là một phương pháp gia công mà hầu hết công suất cắt được chuyển hoá thành nhiệt năng, chỉ một phần rất nhỏ công suất cắt được chuyển hoá thành năng lượng tiềm ẩn làm thay đổi mạng tinh thể của vật liệu. Nhiệt cắt khi mài sẽ gây ra các biến đổi về pha và cấu trúc của vật liệu, thay đổi tính chất của lớp kim loại bề mặt gia công như độ cứng lớp kim loại ứng suất dư và vết cháy, vết nứt tế vi trên mặt mài. Lượng nhiệt tỏa ra phân bố trong chi tiết, phoi đá và dung dịch trơn nguội xác định theo phương trình sau : (Pz.Vda) .() = Qcht + Qda + Qbt + Qphoi + Qphs (1.10) ở đây: (Pz.Vda) - nhiệt do công suất chuyển hoá thành. Qcht - nhiệt truyền vào chi tiết Qda - nhiệt truyền vào đá Qbt - nhiệt truyền vào dung dịch trơn nguội Qphoi - nhiệt truyền vào phoi và các phế thải khi mài Qphs - nhiệt phát sáng Các nghiên cứu cho thấy, khoảng 70-80% lượng nhiệt toả ra khi mài chuyển vào chi tiết gia công và đá mài. Lượng nhiệt này có thể xác định theo công thức sau: Qcht = Qda= với k = (1.11) Với l - Hệ số dẫn nhiệt c - dung lượng riêng của nhiệt g - mật độ khối Nhiệt cắt khi mài có thể phân ra ba dạng : Nhiệt độ tức thời tại điểm xảy ra quá trình cắt do một hạt mài gây ra. Tuỳ thuộc vào điều kiện mài, nhiệt độ này có thể thay đổi từ 1000oC tới nhiệt độ nóng chảy của kim loại. Thời gian tác động rất ngắn Nhiệt độ tiếp xúc trung bình trên toàn bộ chiều rộng đá có giá trị từ 250o đến 1100oC. Dưới tác động của nhiệt độ tiếp xúc trên lớp kim loại bề mặt có thể xuất hiện vết cháy và vết nứt tế vi Nhiệt độ trung bình của chi tiết. Tuỳ thuộc vào điều kiện và thời gian mài, tính chất của dung dịch trơn nguội, nhiệt độ trung bình sẽ có giá trị từ 20o đến 350oC. Nhiệt độ trung bình sẽ gây ra biến dạng nhiệt của chi tiết gia công Quá trình xuất hiện và phân bố của nhiệt cắt khi mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy tồn tại một số quy luật sau: Khi các thành phần của chế độ cắt (V, s, t) tăng thì nhiệt cắt tăng Vận tốc cắt quan hệ với nhiệt độ theo quy luật hàm mũ, hệ số mũ dao động từ khoảng 0,25 - 0,35 Đường kính đá tăng thì nhiệt độ mài giảm Chất dính kết của đá cũng có ảnh hưởng tới nhiệt độ khi mài. Đá mài có chất dính kết bakêlit có khả năng giảm cường độ toả nhiệt tốt hơn so với đá có chất kết dính keramic Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu giảm sẽ làm tăng nhiệt độ mài. Để giảm nhiệt độ mài phải giảm số nguồn tạo nhiệt hoặc tăng hiệu suất tạo nhiệt bằng các biện pháp như chọn sơ đồ mài tối ưu, chọn đặc tính đá, chế độ cắt, dung dịch trơn nguội phù hợp 1.2.3. Dao động khi mài phẳng Trong quá trình mài luôn tồn tại dao động. Các dao động này có ba dạng: dao động cưỡng bức, dao động riêng và dao động tự rung. Dao động cưỡng bức: Xuất hiện do các lực tác động từ bên ngoài. Tần số của nó trùng với tần số của lực kích thích còn biên độ phụ thuộc vào chế độ mài, không thay đổi trong thời gian tuổi bền. Dao đông cưỡng bức do các nguyên nhân sau gây nên: Độ không cân bằng của đá Độ không cân bằng của đông cơ trục chính Độ không cân bằng của các bộ truyền dẫn và ổ đỡ, các loại bánh răng trục đỡ ổ lăn… Để tránh các dao động cưỡng bức nên thực hiện các biện pháp như: sử dụng các loại đá có độ chính xác cao, cân bằng tĩnh cẩn thận trước khi gá đá, cân bằng các cơ cấu quay, giữ cho vị trí tâm quay cố định bằng cách sử dụng các ổ đỡ có kết cấu mới cho phép tạo ra các bộ đệm dầu cân bằng, dùng loại ổ thuỷ tĩnh có kết cấu đặc biệt… Dao động riêng: Là dao động đặc trưng cho và liên quan tới hệ thống lực trong bản thân máy đó. Tần số của các dao động riêng không tắt dần của hệ bất kỳ có thể tính theo công thức sau: f = (1.12) Trong đó: c - độ cứng riêng của hệ m - trọng lượng của hệ Nhiều nghiên cứu cho thấy, tần số dao động riêng do độ không cân bằng của các bộ truyền gây ra thường nhỏ hơn nhiều so với tần số dao động riêng của máy Dao động tự rung: Dao động này chỉ phụ thuộc vào độ cứng vững của máy và khối lượng của hệ thống mà không phụ thuộc vào chế độ mài, vận tốc của đá cũng như vận tốc chuyển đông tịnh tiến của chi tiết. Biên độ của dao động tự rung không cố định mà thay đổi trong thời gian tuổi bền. Khi chế độ cắt tăng, biên độ của dao động này tăng. Khi chế độ cắt giảm, biên độ giảm. Các dao động tự rung gây ra sóng trên bề mặt làm việc của đá. 1.3. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO CHẤT LƯỢNG CỦA QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG Để đánh giá chất lượng của quá trình mài phẳng, người ta sử dụng nhiều chỉ tiêu khác nhau như năng suất bóc kim loại sau một đơn vị thời gian, độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công, giá thành nguyên công và nhiều chỉ tiêu khác nữa. Trong thực tế gia công, mài chủ yếu để sử dụng đạt độ chính xác và độ bóng bề mặt cao, nên đánh giá chất lượng quá trình mài người ta thường sử dụng các chỉ tiêu cơ bản đặc trưng cho độ chính xác và chất lượng bề mặt vật mài. 1.3.1. Độ chính xác khi mài Khi mài phẳng, độ chính xác, độ không song song và độ không phẳng là chỉ tiêu quan trọng nhất, đặc trưng cho độ chính xác của quá trình mài. Các yếu tố trên có thể phân thành hai nhóm chính như sau Nhóm thứ nhất là các nguyên nhân do trang thiết bị gây nên. Sau đây là một số nguyên nhân thuộc nhóm này: - Độ không song song và không phẳng của bàn gá với phương chuyển động của bàn máy - Độ không ổn định đường tâm của trục chính trong quá trình gia công - Độ không êm của các dịch chuyển nhỏ của các cơ cấu máy Nhóm thứ hai gồm các yếu tố phụ thuộc vào điều kiện mài và chỉ xuất hiện trong quá trình gia công, nhóm này gồm các yếu tố như: - Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt - Ảnh hưởng của các biến dang đàn hồi do lực cắt gây ra - Ảnh hưởng của các sai số in dập Ngoài các sai số vừa nêu, độ chính xác khi mài còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nữa như mức độ hợp lý của cặp vật liệu đá - chi tiết, chế độ sửa đá, điều kiện mài… Chất lượng bề mặt vật mài Chất lượng bề mặt vật mài được đánh giá bằng hai nhóm chỉ tiêu sau: -Nhóm chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất hình học của bề mặt như độ sóng, độ nhám, vết gia công cơ…. -Nhóm các chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất cơ lý của bề mặt gia công như ứng suất dư, vết nứt tế vi, vết cháy…Sau đây xét một số chỉ tiêu chính thường được sử dung để đánh giá chất lượng của quá trình mài a. Độ nhám bề mặt Trong quá trình mài phẳng, các hạt mài sẽ cào xát lên bề mặt gia công để tách ra một lớp phoi mỏng. Do số lượng các hạt mài lớn, phân bố của chúng không theo quy luật nhất định, chiều cao nhô ra khỏi chất dính kết của chúng không giống nhau, nên vết gia công trên bề mặt vật mài là tập hợp của nhiều vết gia công do các hạt mài đơn lẻ tạo ra. Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy độ nhám bề mặt có quan hệ khác với các thông số khác của quá trình mài theo các quy luật sau: - Độ nhám bề mặt tăng khi lực cắt hướng kính Py, lượng chạy dao ngang và chiều sâu cắt tăng. Hệ số mũ đặc trưng cho các quan hệ thay đổi trong khoảng từ 0,4 đến 0,5 - Vận tốc đá tăng thì nhám bề mặt giảm, tuy vậy với các loại đá có độ hạt nhỏ hơn 20 phải giới hạn vận tốc để không xảy ra hiện tượng cháy bề mặt. Quan hệ độ nhám và vận tốc cắt có thể được mô tả theo công thức sau: Ra = C.Vk-a (1.10) Với a = 0,7 đến 0,8 - Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào đặc tính của đá mài: Ra = C.da (1.11) Ở đây C - độ hạt của đá a - hệ số thay đổi trong khoảng từ 0,7 - 0,9. Do vậy khi độ bóng yêu cầu càng cao thì độ hạt được chon càng bé - Theo Watanabe [2] cho biết quan hệ của đặc tính đá với độ nhám bề mặt có thể mô tả bằng phương trình sau: Ra = Hk-(0,5-1,2) .Cm-(0,5-1,2) (1.12) Ở đây: Cm: kết cấu đá ( số % của hạt mài trong thể tích đá ) Hk: độ cứng đá theo thang Norton - Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào vật liệu hạt mài - Nhám bề mặt thay đổi theo xu hướng tăng dần ttheo chu kỳ tuổi bền. - Độ nhám bề mặt vào vật liệu và điều kiện gia công: Theo [1] quan hệ giữa độ nhám với chế độ mài và điều kiện gia công có thể mô tả bởi công thức sau: Ra = (1.13) Ở đây : CRa - hệ số có tính đến tính chất cơ lý của bề mặt gia công k1 - hệ số có tính đến độ hạt của đá mài k2 - hệ số có tính thành phần của dung dịch trơn nguội k3 - hệ số có tính đến ảnh hưởng của các hành trình chạy hết hoa lửa P, w, m, h - hệ số tính đến ảnh hưởng của vận tốc chi tiết, chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc đá mài, chiều rộng và chiều dài chi tiết vcht, t, s, vda, d, H - vận tốc chi tiết, chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc đá, chiều rộng và chiều dài chi tiết - Khi mài vật liệu dòn như gang, nếu chiều sâu cắt quá lớn, phoi sẽ có dạng hạt, sẽ chèn đẩy vào các khe đá và chà xát lên bề mặt gia công, tạo r._.a các vết xước dọc, làm tăng độ nhám bề mặt - Độ nhám phụ thuộc vào chế độ sửa đá và kết cấu của đầu sửa đá. Một số nghiên cứu đã khẳng định, lượng chạy dao ngang khi sửa đá lớn hơn một giá trị nhất định, độ nhám ban đầu lớn, sau đó giảm dần. Loại đầu sửa đá cũng ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt. Nhìn chung, nếu chế độ sửa đá phù hợp, có thể nâng cao độ bóng lên cao hơn 1 - 2 cấp ở cùng điều kiện gia công. - Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào trạng thái máy và rung động của nó. Rung động là nguyên nhân chính làm cho đá mòn không đều, khả năng cắt tại các điểm khác nhau không giống nhau, điều này cũng gây ra hiện tượng suy giảm độ bóng. b. Độ sóng bề mặt Độ sóng bề mặt là do hai nguyên nhân chính: các dao động theo phương vuông góc với bề mặt gia công và sai số hình dáng của đá (như độ ovan, độ không tròn…) gây ra. Cả hai nguyên nhân này đều làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của đường sinh cắt của đá mài theo phương vuông góc với bề mặt gia công. Ngoài ra, các yếu tố khác như biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, độ không đồng nhất của vật liệu…cũng làm xuất hiện sóng. c. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt Các tính chất đặc trưng cho tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt bao gồm: các biến đổi cấu trúc mạng, ứng suất dư và khả năng xuất hiện vết cháy, vết nứt tế vi… Chiều sâu lớp bề mặt bị biến dạng phụ thuộc vào chế độ cắt, cơ tính của vật liệu gia công. Trong quá trình mài phẳng do mức độ biến dạng dẻo tại các điểm khác nhau cũng như tại các chiều sâu khác nhau không giống nhau, do thay đổi cấu trúc, trên bề mặt vật mài sẽ xuất hiện ứng suất dư. Cơ chế hình thành ứng suất dư rất phức tạp. Độ lớn của ứng suất dư phụ thuộc vào lực cắt, nhiệt cắt, chế độ cắt, điều kiện mài và cơ tính của vật liệu gia công. Khi chiều sâu cắt tăng, nhiệt cắt trong vùng gia công tăng, lớp kim loại bị biến dạng dẻo tăng, ứng suất kéo cũng tăng theo. Khi lượng chạy dao tăng, lớp kim loại trên bề mặt xuất hiện ứng suất dư nén. Khi mài vật liệu đã nhiệt luyện, do nhiệt độ mài rất cao, dễ xuất hiện khả năng cháy và vết nứt của lớp kim loại bề mặt. Vết cháy khi mài là hiện tượng biến đổi cấu trúc cục bộ của lớp kim loại bề mặt dưới tác động của nhiệt độ cao tức thời và cường độ toả nhiệt lớn trên một diện tích nhỏ của bề mặt gia công. Vết cháy bao giờ cung đi kèm vết nứt tế vi, do vậy khả năng chịu mòn và độ cứng của bề mặt giảm. Vết cháy có thể do một số nguyên nhân gây ra như do chế độ cắt quá cao, đặc tính đá chọn không đúng, đá bị cùn hoặc bị bám dính bề mặt, không đủ dung dịch trơn nguội, đá bị đảo…Chiều sâu vết cháy phụ thuộc vào nhiệt độ mài và tính chất của vật liệu gia công. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, độ cứng trong vùng cháy không đồng nhất. ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP MÀI CAO TỐC Khái niệm về gia công cao tốc và mài cao tốc Gia công cao tốc là thực hiện gia công các chi tiết trên các máy có công suất lớn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng. Trong các phương pháp gia công cao tốc có phương pháp mài cao tốc. So với mài thường thì mài cao tốc có những ưu điểm sau: - Nâng cao năng suất máy theo thời gian - Giảm độ mòn và tăng tuổi bền của đá - Chất lượng bề mặt gia công tốt (tăng độ nhẵn, giảm hiện tượng cháy nhiệt…). Để thực hiện phương pháp mài cao tốc ta phải có loại đá mài đặc biệt tương ứng là đá mài cao tốc. Đá này được dùng trên máy mài phẳng, mài tròn ngoài, mài tròn trong cũng như mài ren. Đặc điểm của quan trọng của đá mài cao tốc là có thể tăng tốc độ của đá mài đồng thời tăng lượng chạy dao dọc và ngang để tăng năng suất. Để tăng hiệu quả của mọi hạt mài, khi mài cao tốc phải tăng lượng chạy dao dọc và ngang. Vì khi chỉ tăng riêng tốc độ đá mài thì năng suất không tăng lên bao nhiêu. Tốc độ cắt cao (45 ¸ 60 m/s )chỉ có thể thực hiện khi đá mài có đủ độ bền và đủ khả năng làm nguội. Độ bền cơ học của đá mài có thể xác định bằng phương pháp thử độ bền đứt khi đá mài quay đến tốc độ giới hạn. Phương pháp này chỉ tính đến ảnh hưởng của lực ly tâm. Khi quay đá còn chịu tác động của những lực khác nữa nên phương pháp này chưa đánh giá đầy đủ độ bền. Cho đến nay chưa có phương pháp chắc chắn để xác định độ bền khi kể đến tất cả các lực tác dụng lên đá mài. Để nâng cao tốc độ giới hạn cần chú ý đến các nhân tố sau: - Hạt mài - Cỡ hạt - Chất kết dính - Độ cứng Độ xốp của đá mài 1.4.2. Ưu điểm của phương pháp mài cao tốc So với phương pháp mài thông thường phương pháp mài cao tốc có ưu điểm : - Lượng phoi lấy đi nhiều (năng suất cắt gọt cao), có thể tăng từ 1,5 ¸ 2,5 lần - Tuổi thọ đá mài tăng từ 1,2¸ 2,5 lần - Bề mặt gia công sạch hơn Tuy nhiên, khi mài với tốc độ cao thì lực mài phát sinh lớn, toả nhiệt khi mài lớn, do đó công suất tiêu hao lớn, dung dịch làm mát phải nhiều và máy phải thật cứng vững. Ngày nay mài tốc độ cao (40¸ 60 m/s) được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước để mài phẳng, mài vô tâm, mài sơ và tinh các loại thép công cụ, thép hợp kim, mài các chi tiết vong bi, ổ lăn, trục khuỷu… Kết luận chương I: Tìm hiểu tình hình nghiên cứu về đá mài trong và ngoài nước Giới thiệu khái quát về phương pháp mài và mài phẳng Tìm hiểu phương pháp mài cao tốc và các ưu nhược điểm của nó CHƯƠNG IICƠ SỞ KỸ THUẬT CỦAQUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐÁ MÀI CHẤT KẾT DÍNH GỐM Chất kết dính gốm hay còn gọi là chất liên kết thuỷ tinh hóa được sản xuất từ các loại nguyên liệu rất sẵn có ở Việt Nam. Các nguyên liệu này được chia thành hai nhóm cơ bản: Chất có tính dẻo: Cao lanh, đất sét, Bentônít… Chất giúp chảy: Trường thạch, thuỷ tinh hàn the, thuỷ tinh nước Ngoài ra, ta có thể dùng thêm một số chất khác như bột Tale, thạch anh…và một vài phụ gia khoáng chứa B2O3, BaO, ZrO2…nhằm tăng cường cơ tính và cải thiện một vài tính chất của chất kết dính. Chất có tính dẻo Chủ yếu có tác dụng tạo tính dẻo cho chất kết dính để đảm bảo cho đá mài mộc có sức bền cơ học nhất định. Thông thường dùng cao lanh hoặc đất sét. Phân loại đất sét Theo độ chịu lửa người ta chia ra: Đất sét dễ chảy Đất sét khó chảy Đất sét chịu lửa Các tính chất của đất sét Các tính chất chủ yếu của đất sét là: tính dẻo, tính co, tính chịu lửa, thành phần hoá… A.Tính dẻo Là khả năng làm cho đất sét có thể nhào nặn thành hình dạng khác nhau. Tính dẻo của đất sét phụ thuộc vào: Kích thước và cấu trúc của hạt đất sét Các thành phần khoáng lẫn tạp chất lẫn vào (Thạch anh, trường thạch…) Các thành phần hữu cơ lẫn trong đất sét Kích thước hạt càng nhỏ, cấu trúc hạt dẹt, mảnh chứa nhiều thành phần hữu cơ nhiều thì đất sét có tính dẻo cao. Ngược lại, đất sét chứa nhiều hạt thô, thành phần khoáng vô cơ nhiều (như thạch anh, trường thạch) thì đất sét kém tính dẻo. Sau đây lá phương pháp thông thường nhất để xác định tính dẻo: * Phương pháp biểu thị bằng phần trăm hàm lượng nước làm việc: Cho nước vào đất sét khô nhào nhuyễn trong bát sứ đến trạng thái làm việc (đất sét không dính tay dễ nặn nhất). Hàm lượng nước được xác định theo công thức: (2.1) Trong đó: W: Hàm lượng nước làm việc G2: Trọng lượng mẫu ở trạng thái làm việc G1: Trọng lượng mẫu sấy khô ở nhiệt độ 1100oC Hàm lượng nước càng lớn thì đất sét càng dẻo * Phương pháp biểu thị bằng thời gian đất sét khô tan trong nước: Nhào nhuyễn đất sét trong bát sứ, tạo hình tam giac cụt (cao 30 mm, đáy lớn 8mm, đáy nhỏ 2mm) sấy khô ở 1100oC rồi đặt mẫu vào cốc đến khi tan hết. Tính dẻo càng cao khi thời gian tan hết mẫu càng lớn. Tính dẻo của đất sét thường từ 60 - 80 giây. Đất sét dùng để chế tạo chất dính gốm, tính dẻo yêu cầu từ 110 giây. B. Tính co Thông thường tính dẻo càng lớn thì tính co càng lớn. Thường xác định độ co khi sấy và độ co sau khi nung. Phương pháp xác định như sau: Nhào nhuyễn đất sét trong bát sứ, nặn thành khối vuông 50x50x10 (mm). Dùng thước vạch hai đường chéo đúng 5cm. Đem mẫu thử sấy khô ở nhiệt độ 1100oC để xác định độ co khi sấy và nung ở nhiệt độ 1280o C đến 13500 C để xác định độ co khi nung. Độ co khi sấy : Độ co khi nung : Độ co chung : Trong đó: l0: chiều dài vạch trước khi sấy l1: chiều dài vạch sau khi sấy l2: chiều dài vạch sau khi nung Độ co của đất sét từ 2-12% C. Độ chịu lửa Là khả năng đất sét chịu được nhiệt độ cao mà không bị chảy lỏng. Độ chịu lửa của đất sét phụ thuộc vào thành phần hoá, khoáng, kích thước của hạt đất sét. Thường ôxýt nhôm, ôxyt Silic càng nhiều thì độ chịu lửa càng cao. Ôxyt kiềm, hạt mịn càng nhiều, độ chịu lửa càng thấp. Phương pháp xác định: Hình 2.1. Khối côn-sơ-ghê [11] Nhào nhuyễn đất sét trong bát, tạo hình côn-sơ-ghê (hình khối tam giác cụt cao 30 mm, đáy lớn 8 mm, đáy nhỏ 2 mm ), sấy khô rồi cắm trên đế chịu lửa nghiêng một góc 60o cùng các côn tiêu chuẩn. Sau đó cho vào lò thử côn, tăng nhiệt độ từ từ cho đến khi mẫu thử và côn tiêu chuẩn mềm ra, cong xuống chạm mặt đế chịu lửa. Nhiệt độ chịu lửa của đất sét bằng nhiệt độ chịu lửa của côn tiêu chuẩn, nếu mẫu thử và côn tiêu chuẩn cùng gục như nhau. D. Thành phần hoá Đất sét dùng làm chất dính gốm yêu cầu phải có thành phần hoá trung bình như nhau : SiO2 55 ¸ 68 % Al2O3 20 ¸ 28 % Fe2O3 < 1 % CaO < 0,8 % MgO 1,5 % K2O < 3 % Na2O < 0,6 % Chất bốc 8 ¸ 12 % Chất giúp chảy Tác dụng chủ yếu là làm giảm nhiệt độ chảy của chất kết dính Trường thạch Là chất giúp chảy thông dụng nhất, có 3 loại trường thạch: - Trường thạch Kali (K2O.Al2O3.6SiO2) còn gọi là Ortoclaz. Trường thạch Kali có màu trắng đục, ngà vàng hoặc xanh, khi đập vỡ thành các thớ nhỏ rõ rệt - Trường thạch Canxi (CaO.Al2O3.2SiO2) còn gọi là Anortít, màu trắng trong không có thớ rõ rệt. Để chế tạo chất kết dính gốm thì trường thạch Kali là loại tốt nhất vì ngoài khả năng làm giảm nhiệt độ chịu lửa của chất dính gốm, làm tăng khả năng phản ứng giữa chất dính và hạt mài, tăng sức bền cơ học của đá mài nó còn giúp cho chất dính có khoảng kết luyện dài không gây ra phế phẩm. Nhưng trong thiên nhiên ít khi trường thạch ở các khoáng riêng rẽ, mà thường xen lẫn giữa trường thạch Kali với Natri, Kali với Natri và Canxi… cho nên phải chọn thành phần cho thích hợp. Yêu cầu trường thạch dùng để chế tạo chất dính gốm cần có thành phần hóa trung bình như sau: SiO2 62 ¸ 68 % Al2O3 18 ¸ 23 % Fe2O3 1 % CaO 0,8 % MgO 1,5 % K2O 8 % Na2O 4 % Mất khi nung 8 ¸ 12 % Độ chịu lửa 1230¸12800C Thuỷ tinh hàn the Là loại thuỷ tinh được nấu từ hàn the (Na2B4O7.10H2O) và trường thạch theo tỉ lệ: Hàn the 60 %, Trường thạch 40%. Nấu trong lò bể hoặc lò nồi ở nhiệt độ từ 1000 ¸13000C. Thuỷ tinh hàn the là một chất giúp chảy rất tốt và nâng cao được cường độ đá mài. Thuỷ tinh hàn the thông thường có thành phần hoá trung bình như sau: SiO2 34 ¸ 44 % Al2O3 11 ¸ 16 % Fe2O3 0,5 % CaO 0,5 % B2O3 27% K2O 4 ¸ 6 % Na2O 12¸17 % MKN 0,8 % Độ chịu lửa 700 ¸ 8000C Thuỷ tinh nước Thuỷ tinh nước là muối Silicát Natri ngậm nước, công thức chung là Na2SiO2.nH2O. Thuỷ tinh nước được nấu chảy từ thạch anh và các-bô-nát Natri ở nhiệt độ 1.300 ¸ 1.4000C. Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2 Sau đó hoà tan Na2SiO3vào nước nóng cho tan Na2SiO3 + nH2O = Na2O.SiO2.nH2O Thuỷ tinh là chất giúp chảy, đồng thời còn có tác dụng là chất dính tạm thời tăng cường độ đá mộc. Yêu cầu kỹ thuật của thuỷ tinh nước: Tỷ trọng: 1,4¸1,5 Môđun: (2.2) Ngoài các chất đã nêu trên, để chế tạo chất dính gốm dùng cho đá mài người ta còn dùng một số chất khác như: hoạt thạch, thạch anh…để tăng cường cơ tính và cải thiện một số tính chất của chất dính (cường độ, độ dai…). Với thạch anh thì thành phần cơ bản là SiO2 ≤ 98%. Hoạt thạch còn gọi là đá Tale là một loại quặng Silicát Manhê rất mềm, độ mịn mát tay, có độ chịu lửa cao (1.500 ¸1.5500C). Bột hoạt thạch sử dụng trong chất dính với một lượng rất nhỏ (<10%) còn có tác dụng giảm độ chịu lửa của chất dính, tăng sức bền cơ học, giảm hệ số giãn nở nhiệt. Công thức chung của hoạt thạch là 3MgO.4SiO2.H2O. Thành phần hoá trung bình : SiO2 60,40 % Al2O3 2,04 % CaO 1,12 % MgO 29,04 % Fe2O3 1,28% K2O + Na2 0,3 % PF 5 % Tính chất chung của chất kết dính gốm Độ chịu lửa Là tính chất chủ yếu của chất kết dính gốm, nó ảnh hưởng trực tiếp đến năng lực phản ứng giữa chất dính và hạt mài và do đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cho nên phải lựa chọn độ chịu lửa cho thích hợp. Nếu độ chịu lửa của chất dính quá cao, hạt và chất dính liên kết kém dẫn đến cường độ đá thấp. Ngược lại độ chịu lửa quá thấp dẫn đến biến dạng gây phế phẩm. Nhiệt độ chịu lửa phụ thuộc vào thành phần hóa, khoáng và các yếu tố khác như độ mịn của chất dính. Đối với chất dính nung chảy (dạng thuỷ tinh) dùng cho đá mài hạt Corindon nhiệt độ chịu lửa thường thấp hơn nhiệt độ nung đá từ 100¸2000C. Năng lực phản ứng Là khả năng hoà tan Al2O3 từ hạt mài Corindon vào chất dính sau khi nung (hay lượng Al2O3 trong chất dính tăng lên sau khi nung so với thành phần ban đầu). Chất dính nung chảy có năng lực phản ứng cao hơn chất dính nung kết. Trong chất dính có nhiều ôxit kiềm, đặc biệt là B2O3 khả năng phản ứng tăng lên rất nhiều (có thể từ 7 ¸ 15 %). Tính linh động Là khả năng chảy lỏng và lan rộng của chất dính nung kết. Thông thường độ chịu càng cao tính linh động càng kém, độ chịu lửa càng thấp tính linh động càng cao. Ở nhiệt độ cao chất dính càng linh động thì độ nhớt càng giảm, khả năng phản ứng càng tăng. Cách xác định tính linh động của chất dính như sau: ép chất dính thành hình trụ F 15 mm, cao 15mm, sấy khô đem nung, rồi đo đường kính mẫu trung bình sau khi nung. Tính linh động = (2.3) Trong đó D1: Đường kính mẫu trước khi nung D2: Đường kính mẫu sau khi nung Đối với chất dính nung chảy khả năng phản ứng cao, độ linh động có thể đạt từ 130 ¸ 250% và hơn. Hệ số giãn nở Trong quá trình nung đốt, chất dính và hạt mài đều giãn nở. Vì thế, phải chọn chất dính có hệ số giãn nở nhiệt gần như hạt mài hoặc nhỏ hơn một chút. Nếu hệ số dãn nở nhiệt khác biệt nhau nhiều sẽ gây nên rạn nứt, phế phẩm. Nếu hệ số giãn nở nhiệt của chất dính lớn hơn hạt mài, khi làm nguội chất dính co nhiều gây nứt rạn. Nếu hệ số giãn nở nhiệt của chất dính nhỏ hơn hạt mài nhiều, khi nung đốt hạt nở nhiều gây nứt rạn, hoặc khi làm nguội hạt co nhiều hơn sẽ tách khỏi chất dính làm giảm cường độ đá mài. Vì vậy, muốn cho đá mài sau khi nung có độ bền cơ học cao, không bị nứt rạn thì phải chọn chất dính có hệ số giãn nở thích hợp. Thông thường chất dính có nhiều ôxít kiềm thì độ linh động tốt, khả năng phản ứng tăng nhưng hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn. Ôxýt Boríc B2O3 có ưu điểm hơn tăng độ linh động của chất dính, vừa tăng khả năng phản ứng giữa chất dính và hạt mài đồng thời lại giảm hệ số giãn nở nhiệt của chất dính xuống xấp xỉ hệ số giãn nở của hạt mài. Hệ số giãn nở nhiệt của hạt mài Corindon trong khoảng nhiệt độ từ 50 ¸10000C theo thí nghiệm của Viện Vnhi- Nam (Liên Xô cũ) khoảng 70.10-7 ¸80.10-7 (1/0C). Hệ số giãn nở nhiệt được xác định theo công thức a= (2.4) Trong đó: lt : chiều dài mẫu thử ở nhiệt độ t0C l0 : chiều dài mẫu thử ở nhiệt độ 00C Mô-đuyn đàn hồi Mô-đuyn đàn hồi là một trong nhưng tính chất quan trọng của đá mài chấ dính gốm. Mô-đuyn đàn hồi lớn hơn sẽ xuất hiện ứng suất nội trong đá mài có thể dẫn đến giảm độ bên cơ học và gây phế phẩm khi nung và làm nguội. Mô-đuyn đàn hồi được xác định theo công thức E = (2.5) Trong đó: P: Lực gây biến dạng L: Chiều dài mẫu biến dạng. F: Tiết diện ngang của mẫu. f: Độ võng của mẫu thử Ứng suất phát sinh trong đá mài khi nung và làm nguội : (2.6) Trong đó: E: Mô-đuyn đàn hồi. a: Hệ số giãn nở nhiệt. M: Tốc độ tăng nhiệt (độ/ giờ) R: Bán kính đá, nếu đá có lỗ thì R-r a: Độ dẫn nhiệt K: Hệ số phụ thuộc kích thước Như vậy, E càng lớn, st càng lớn càng dễ nứt. Độ bền cơ học (độ bền kéo, nén uốn) Độ bền của mẫu đá phụ thuộc vào tính chất cơ học của chất dính, khả năng phản ứng dạng thuỷ tinh, tinh thể, hệ số giãn nở nhiệt, số lượng chất dính. Độ bền kéo đứt mẫu với tốc độ dài của đá quan hệ với nhau theo công thức: (2.7) Trong đó: g: Trọng lượng thể tích đá (g/cm3) V: Tốc độ đá mài (m/s) g: Gia tốc trọng trường M: Hệ số nén ngang, với đá mài bằng 0,2¸0,3 a : Tỷ số bán kính lỗ và bán kính đá Muốn đảm bảo tốc độ sử dụng đá mài đạt 60 m/s thì độ bền kéo đứt mẫu phải đạt từ 120 kg/cm2 trở lên. Quá trình liên kết giữa chất dính và hạt mài Thành phần viên đá mài, hạt mài đóng vai trò như những lưỡi cắt, chất kết dính có nhiệm vụ liên kết các hạt mài.Thông thường trong thành phần của chất kết dính có nhiều hợp phần pha trộn lại: chất có tính dẻo (cao lanh, đất sét), chất giúp chảy (trường thạch, thuỷ tinh hàn the). Ngoài ra, còn dùng thuỷ tinh lỏng là chất làm ẩm và cũng là chất giúp chảy. Đối với đá mài hạt Corindon trong quá trình nung đốt, ở nhiệt độ từ 7000C trở lên chất dính bắt đầu chảy, chúng hoà tan vào nhau và hoà tan Al2O3 trên bề mặt hạt Corindon ở chỗ tiếp xúc với chất dính. Nhiệt độ càng cao sự hoà tan Al2O3 càng nhiều, làm cho hàm lượng Al2O3 trong chất dính tăng lên có thể tới 6¸7 % và cao hơn nữa tuỳ theo hoạt tính của chất kết dính. Nếu chất kết dính có nhiều ôxýt kiềm (K2O, Na2O) thì lượng Al2O3 hoà tan vào chất dính càng nhiều. Đặc biệt khi trong chất dính có B2O3 thì sự hoà tan Al2O3 càng tăng lên mạnh mẽ. Sự tăng cường độ hoà tan Al2O3 từ hạt mài vào chất dính sẽ làm giảm sự phân cách giữa bề mặt hạt mài và chất dính, làm cho độ bền cơ học của chất dính tăng lên, do đó tăng cường độ đá mài, nhưng nếu hạt mài không tinh khiết có lẫn nhiều tạp chất như Fe2O3, CaO…thì các tạp chất này hoà tan vào chất dính trước khi hoà tan Al2O3. Kết quả là trong thành phần của chất dính sẽ có nhiều tạp chất và độ bền cơ học giảm. Hình 2.2. Sự hoà tan Al2O3 vào chất dính khi nung đá mài hạt Corindon Hình 2.3. Sự tăng hàm lượng Al2O3 trong chất dính trong thời gian bảo ôn Nghiên cứu thành phần của chất dính sau khi nung người ta thấy rằng ngoài dạng thuỷ tinh ra còn xuất hiện các khoáng: Mulit (3Al2O3.2SiO2), Spinet (MgO,Al2O3), Cordierit (MgO.Al2O3.3SiO2 + 2MgO.2Al2O3.5SiO2), Rutil (TiO2), Plagioclaz (trường thạch Natri – Canxi). Ở chỗ tiếp xúc giữa chất dính với hạt mài giàu Spinel, thường trong chất dính nếu dạng thuỷ tinh càng nhiều hoặc có pha lẫn tinh thể nhỏ nhặt như Spinel, Rutil (kích thước 0,8 ¸ 10mm) thì độ bền cơ học của đá mài tăng lên. Ngược lại nếu có nhiều tinh thể to như Anortit (CaO.Al2O3.2SiO2) thì độ bền cơ học của đá mài giảm rõ rệt. Do đó để sản xuất đá mài tốc độ cao 45 ¸ 60 m/s thì trước hết yêu cầu hạt mài phải sạch và có chất lượng cao, chất kết dính phải cho thêm B2O3 để tăng thêm hoạt tính và có thể cho thêm thành phần MgO để tạo nên tinh thể nhỏ ăn sâu Spinel. Cũng có thể cho thêm phụ gia khoáng chứa ZrO2 để tăng độ bền cơ còn các tạp chất có hại như CaO, Fe2O3 và đặc biệt là CaO thì phải rất hạn chế. ĐIỀU KIỆN KỸ THUẬT CỦA NGUYÊN LIỆU Hạt mài a) Thành phần hoá trung bình các loại hạt mài Corindon như sau Loại hạt Thành phần hoá % Từ tính không quá % Al2O3 Fe2O3 SiO2 TiO2 CaO Cr2O3 Corindon nâu ≥ 95 ≤0,05 ≤0,7 ≤ 2,4 ≤0,17 Corindon trắng ≥ 99 ≤0,05 ≤0,1 ≤0,01 Corindon hồng ≥ 98 ≤0,05 ≤0,2 ≤0,2 0,65 ≤0,02 b) Đặc tính kỹ thuật Loại hạt Đặc tính kỹ thuật Kích thước tinh thể Khối lượng riêng Tỷ trọng rơi Độ cứng Corindon nâu 400~800 3,97 1,68 ¸ 1,80 1.800 ¸ 2.200 Corindon trắng 600~1.400 3,98 1,75 ¸ 1,82 2.200 ¸ 2.300 Corindon hồng 1.000~2.000 3,98 1,78 ¸ 1,88 2.200 ¸ 2.300 Chất kết dính Chất kết dính dùng để sản xuất đá mài cao tốc (tốc độ sử dụng 45¸60 m/s) là loại chất kết dính thuộc hệ thuỷ tinh Borô Alumô Silicát đa cấu tử: SiO2-Al2O3-Na2O-K2O-B2O3-MgO-CaO-ZrO2. Thành phần phối liệu trung bình như sau: Cao lanh ≥ 30 % Trường thạch ≥40 % Hoạt thạch < 10 % Frit ≤ 20 % Để tăng cường cơ tính người ta phải đưa vào một và chất khác với một lượng nhỏ. Thành phần hoá trung bình: SiO2 58 ¸ 66% Al2O3 19 ¸ 22% CaO 1 % MgO 2 ¸ 4 % B2O3 3 ¸ 5 % K2O + Na2O ≤7% Chất bốc 5 ¸ 7 % Nhiệt độ chịu lửa 1230 ¸ 12500C Độ linh động ở 12500C 200 % Độ bền cơ học (kéo đứt) của mẫu ≥120 Kg/cm2 Thành phần cỡ hạt chất dính trên sàng 0063 không quá 3%. Thuỷ tinh nước Na2O.SiO2.nH2O Phải đạt các điều kiện kỹ thuật sau: - Dạng lỏng, trong suốt, đồng nhất, không lẫn tạp chất, dầu mỡ. - Tỷ trọng 1,45 ¸ 1,50 - Mô-duyn M= - SiO2 tự do ≤ 1,5 % CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT Đối với yêu cầu kỹ thuật của đá mài, nhất là đá mài tốc độ cao (45¸60 m/s), ngoài yêu cầu kỹ thuật của nguyên liệu ra thì công nghệ sản xuất có tính chất quyết định đến chất lượng của đá mài, kể từ nguyên công cân đong pha chế, nhào trộn, ép, sấy, nung, gia công, kiểm tra… Pha chế nhào trộn Như ta đã biết cấu tạo của viên đá mài gồm ba phần: Hạt mài, chất kết dính và lỗ xốp. Thể tích của viên đá mài bằng tổng thể tích của ba phần trên cộng lại: Vđá = Vhạt+ Vchất dính+ Vxốp = 100% [1] Quy cách kỹ thuật của viên đá được quy định bởi: Loại hạt mài, cỡ hạt, độ cứng, chất liên kết dính, kết cấu. Kết cấu biểu thị phần trăm hạt mài và được chia từ số 1 đến số 12 tương ứng với thể tích hạt mài từ 60% đến 38%. Số cấu trúc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Thể tích hạt mài % 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 Trong điều kiện không thay đổi (loại hạt mài, cỡ hạt, thành phần chất dính và công nghệ chế tạo như nhau) thì độ cứng của đá phụ thuộc thể tích lỗ xốp theo giản đồ dưới đây. Hình 2.4. Biểu đồ sự phụ thuộc độ cứng theo lỗ xốp [11] Qua biểu đồ ta thấy sự phụ thuộc độ cứng theo lỗ xốp theo quan hệ : độ cứng càng cao thì lỗ xốp càng nhỏ, mỗi cấp độ cứng thay đổi 1,5%. Như vậy nếu kết cấu không đổi, độ cứng của đá tăng theo quan hệ sau: [11] Vđ = Vh + (Vcd +1,5) + (Vx - 1,5) Nếu độ cứng không đổi, kết cấu của đá tăng lên theo quan hệ sau: Vđ = (Vh -2) + (Vcd + 2) + Vx Các quan hệ trên là cơ sở để tính toán tỷ lệ pha chế hỗn hợp nguyên liệu sản xuất đá mài theo quy cách khác nhau. Căn cứ vào tỷ lệ pha chế tiến hành cân đong nhào trộn hỗn hợp nguyên liệu theo phương pháp nhào trộn khô. Mục đích của nhào trộn là làm cho chát dính bám đều xung quanh hạt mài. Nhào trộn đều sẽ đảm bảo sự kết dính tốt giữa các hạt mài bằng chất dính (cầu nối chất dính đều đặn). Nguyên liệu trộn khô ngoài hạt mài và chất dính còn có thêm chất dính tạm thời để tăng cường độ mộc của đá. Thường dùng là hồ đường Dextrin. Đối với đá mài hạt Corindon còn cho thêm một lượng thuỷ tinh nước vừa đóng vai trò chất dính tạm thời vừa là chất giúp chảy. Độ ẩm của nguyên liệu trộn khô phụ thuộc vào cỡ hạt và lượng chất kết dính, thường độ ẩm từ 3 ¸ 5%. Hỗn hợp nguyên liệu thường được tiến hành nhào trộn trong các thiết bị sau: - Máy trộn ngược chiều. - Máy trộn chữ Z. - Máy nghiền bi. Nhưng dùng phổ biến nhất là máy trộn ngược chiều. Máy gồm một thùng chứa và 1 hoặc 3 cánh khuấy. Thùng và cánh khuấy quay ngược chiều nhau. Tốc độ quay của thùng thường từ 15¸20 vòng/phút. Tốc độ cánh khuấy thường từ 25¸40 vòng/phút. Ưu điểm của loại máy này là nhào trộn nhanh, năng suất cao, dễ sử dụng. Thời gian trộn khoảng 15 phút/một mẻ. Máy lớn có thể đạt năng suất 200 kg/mẻ. Trình tự nhào trộn: - Trộn hạt mài với thuỷ tinh nước: 3 phút - Trộn hạt mài đã làm ẩm bằng thuỷ tinh nước với hồ đường Dextrin: 2 phút - Trộn với chất dính: 10 phút Cộng: 15 phút Sau khi nhào trộn người ta kiểm tra bằng cách nắm nguyên liệu trong tay nếu nguyên liệu trong tay chắc, không dính tay, bẻ đôi nắm nguyên liệu quan sát không thấy có đốm trăng là được. Hỗn hợp nguyên liệu này được sàng lại qua sàng có kích thước mắt lỗ ≥2mm để làm cho nguyên liệu tơi đều và loại trừ cục vón. Sau đó ủ lại rồi đưa đi tạo hình. Yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp nguyên liệu nhào trộn là chất kết dính phải bám đều xung quanh hạt mài thành một màng mỏng, độ ẩm và độ dính vừa đủ để tạo hình, nguyên liệu phải tơi đều… Thành hình Việc thành hình đá mài thường được thực hiện trên các loại máy ép thuỷ lực có áp lực từ 25 ¸ 2000 tấn. Định lượng nguyên liệu vào khuôn theo thể tích. Yêu cầu của việc thành hình đá mài là đảm bảo cho đá mộc có kết cấu thích hợp, mật độ đều đặn…cho nên phải chọn phương pháp cho liệu, phương pháp ép, tốc độ ép tốt nhất. Khi cho nguyên liệu phải đổ vào giữa khuôn, rồi dùng bàn gạt gạt đều ra xung quanh. Muốn cho nguyên liệu rải thật đều thì thường người ta phải làm khuôn quay, nguyên liệu đổ vào giữa lối sẽ văng ra xung quanh và bàn gạt dễ dàng gạt phẳng. Như vậy, nguyên liệu phân bố rất đều, cuối cùng thực hiện thao tác ép theo mật độ và áp lực đã được quy định. Đối với một số loại đá người ta còn dùng miếng đệm đàn hồi lắp ở đầu máy ép mục đích làm cho mật độ viên đá đều đặn, đảm bảo độ cứng đồng đều và cân bằng theo tiêu chuẩn quy định. Khuôn ép thường được làm bằng thép tốt. Đá ép xong được tháo ra khỏi khuôn bằng máy đẩy thuỷ lực và lật đá sang tấm kê để đưa đi sấy và nung. Nung đốt Đá mộc sau khi đã đưa đi xếp lò được nung đốt. Trong dây chuyền sản xuất đá mài, nung đốt là khâu rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm. Việc nung đốt có thể thực hiện trong nhiều kiểu lò khác nhau như lò lửa đảo chu kỳ gián đoạn (đốt bằng than hay ga), lò tuy-nen liên tục, lò ga nhiều khe, các loại lò điện 1 khe hay 3 khe…. Một số loại lò thường dùng ở Nga: + Lò nung điện 1 khe: Kích thước hữu ích của khe: 450 x 150 x 9.900 (mm) (Rộng x cao x dài). Dùng thanh đốt Silic, điện trở 2,1 ¸ 2,5W, công suất biến thế 50 KVA. Chu kỳ nung từ 14 ¸ 22 giờ. Nhiệt độ ở khu vực cao nhất 1.2400C. Năng suất lò: 100 tấn/ năm (máy đẩy thuỷ lực liên tục). + Lò nung điện 3 khe: Kích thước như mỗi lò nung điện một khe nhưng có 3 khe. Chu kỳ nung từ 14 ¸ 22 giờ. Nhiệt độ ở khu vực cao nhất là 1.2400C. Năng suất lò: 1000 tấn/ năm (máy đẩy thuỷ lực đẩy liên tục). + Lò Tuy- nen gas: Kích thước hữu ích: 1000 x 1.100 x 51.000 (mm) (Rộng x cao x dài).Chu kỳ nung: 43 giờ. Nhiệt độ nung 1.2500C ± 100 C. Năng suất lò từ 3.000 ¸ 3.500 tấn/ năm (máy đẩy thuỷ lực). Đối với đá mài cao tốc (45 ¸ 60 m/s) tốt nhất là nung trong lò điện vì có chế độ nung ổn định nhất. Song ở Việt Nam giá điện cao nên không phù hợp về mặt kinh tế. Yêu cầu của quá trình nung đốt: phải tăng nhiệt độ từ từ và đều đặn theo đúng tuyến nung đã quy định, giữ nhiệt độ cực đại 3 ¸ 4 giờ để đá chín đều và các phản ứng thực hiện được hoàn toàn. Quá trình làm nguội cũng phải thực hiện theo đúng tuyến quy định. Từ nhiệt độ cực đại xuống 9000C có thể làm nguội nhanh vì đá đang ở trạng thái dẻo không phát sinh ứng suất đồng thời tạo nên pha thuỷ tinh, các tinh thể Mulít, Spinel kết tinh mịn, kết cấu chặt giúp nâng cao cường độ đá. Từ 9000C ¸ 7000C làm nguội chậm và đều đặn. Từ 7000C¸ 4000C làm nguội với tốc độ chậm hơn nữa. Từ 4000 C trở xuống có thể làm nguội nhanh. Người ta xây dựng tuyến nung và làm nguội là dựa trên đặc điểm của sản phẩm, đặc tính kỹ thuật của lò, kinh nghiệm thực tế và đặc biệt là các quá trình hoá lý xảy ra trong lòng sản phẩm trong khi nung. Vì vậy, tuyến nung và làm nguội càn phải được thực hiện hết sức nghiêm ngặt. Trong quá trình nung, môi trường nung cũng ảnh hưởng nhiều đến màu sắc và chất lượng đá. Môi trường nung tốt nhất là môi trường ôxy hoá. Gia công Gia công đá mài là khâu cuối cùng của công nghệ sản xuất đá mài. Đá sau khi nung tạo thành một lớp vỏ cứng bên ngoài, đồng thời có có sự biến dạng. Mục đích của việc gia công là loại bỏ vỏ cứng, đảm bảo cho đá mài đồng đều, chất lượng bề mặt tốt, đảm bảo kích thước theo đúng yêu cầu kỹ thuật. Thông thường đá mài sau khi nung phải gia công toàn diện: bề mặt, cạnh và lỗ. Một số loại đá nhỏ dị hình chỉ gia công bề mặt hoặc không gia công. Gia công mặt phẳng Việc gia công có thể được tiến hành trên các máy tiện phẳng như: Máy tiện cụt, các máy tiện phẳng chuyên dùng… Nhưng phổ biến hơn là các máy mài phẳng. Máy mài phẳng là loại máy gồm một đĩa thép hình vành khăn, đường kính ngoài tới 1900 mm, đường kính trong 1100 mm, đĩa này đặt nằm ngang tựa trên một vòng bi lớn và quay với tốc độ 10 vòng/phút. Phía trên có những bàn ép đường kính 400¸700 mm lệch tâm với trục và quay với tốc độ 10 vòng/phút. Bàn ép dùng lực cơ khí (vít) hay dùng khí nén để ép lên mặt đá. Đá mài được đặt giữa đĩa thép và bàn ép, trên đĩa thép có rải một lớp hạt thép có kích thước hạt 0,5¸0,8 mm. Ma sát giữa đĩa mài và hạt thép làm bật hạt đá ra và tiến hành quá trình mài mòn đá. Vì đĩa thép và bàn ép quay ngược chiều nhau, bàn ép quay lệch tâm nên đá mài được mài mòn đều khắp bề mặt. Một số kiểu máy mài phẳng Liên xô thường dùng: + Máy mài phẳng AÕO-300-2, đường kính đĩa 900 mm, đường kính gá 200 mm, tốc độ đĩa thép 31 vòng/phút, tốc độ mâm gá (bàn ép) 14 vòng/phút. + Máy mài phẳng K62, đường kính đĩa thép 1900 mm, đường kính gá 360mm, tốc độ đĩa thép 26,9 vòng/phút, tốc độ mâm gá 16 vòng/phút. + Máy mài phẳng B756: đường kính đĩa nam châm 900 mm, đường kính đá kim cương 450 mm, tốc độ đĩa nam châm 30 vòng/phút, tốc độ đá 930 vòng/phút. Gia công cạnh đá Gia công cạnh đá mài thường được thực hiện trên các máy mài cạnh (hay còn gọi là máy tiện cạnh) dao đá. Tức là dùng đá mài để mài cạnh đá. Tốc độ trục gá đá khoảng 1000 vòng/phút. Chiều dài hành trình dao đá 150 ¸ 200 mm. Người ta còn gia công cạnh đá trên máy tiện cạnh đứng. Trục máy tiện thẳng đứng, đá lắp nằm ngang, có 2 trục dao lên xuống. Dao tiện hình chóp nón bằng thép. Tốc độ quay của đá 6 ¸ 8 m/s. Máy này thường dùng để tiện cạnh các loại đá lớn, dày. Gia công lỗ Nhằm làm cho lỗ đá tròn, đồng tâm, đảm bảo đúng kích thước lỗ. Ba hình thức gia công lố thường dùng là: đổ lỗ, khoan lỗ và tiện lỗ. A. Đổ lỗ Muốn đổ lỗ thì đá mài phải ép lỗ rộng hơn yêu cầu 5¸6 mm. Có thể đổ chì hay đổ lưu huỳnh, chì là vật liệu nặng và độc nên ít dùng. Khi đổ lỗ bằng lưu huỳnh, hỗn hợp nguyên liệu gồm: Lưu huỳnh (S) 80 ¸ 85 % Phấn chì (Graphit) 5 ¸ 7 % Thạch anh hay trường thạch 7 ¸ 10 % Vì lưu huỳnh giòn, để tăng độ bền, độ nhẵn người ta pha thêm Graphít và thạch anh hay trường thạch. Nhiệt độ chảy khoảng 110 ¸120°C. B. Khoan lỗ Lỗ đá được khoan bằng thiết bị giống như máy khoan cơ khí, trục khoan bằng thép. Tốc độ quay của trục thường từ 200 ¸ 600 vòng/phút. Để khoan lỗ người ta thường rải hạt thép vào khe giữa lỗ đá và trục. Đá đứng yên, lỗ đá được mài mòn do trục thép gây ra ma sát giữa hạt thép và lỗ đá. Khoan lỗ thì kích t._.ợc nối trực tiếp đến một điện tích thì sẽ làm giảm đáng kể độ nhạy của gia tốc kế đồng thời giới hạn đáp ứng theo tần số của nó, ngay cả khi điện tích có trở kháng tương đối lớn. Để tránh những điểm bất lợi như vậy hoặc để giảm tối thiểu những tác động này, tín hiệu ra của gia tốc kế phải đi qua bộ khuếch đại. Bộ thiết bị này sẽ biến tín hiệu ra có trở kháng cao của gia tốc kế thành tín hiệu có trở kháng rất thấp trước khi được nối với các thiết bị đo lường và phân tích vì đầu vào của các loại thiết bị này có trở kháng tương đối thấp. Bên cạnh nhiệm vụ làm giảm trở kháng của tín hiệu, bộ khuếch đại còn phải tăng tín hiệu tương đối yếu ở đầu ra của gia tốc kế thành một tín hiệu có công suất đủ lớn để thiết bị đo lường có thể cảm nhận được. Phương tiện này thường được kết hợp với bộ điều chỉnh khuếch đại để chuẩn hóa độ nhạy đầu dò thành số “tròn” hơn. Ví dụ một gia tốc kế có độ nhạy 1,7 pC/g có thể được chuẩn hóa thành độ nhạy ở đầu ra là 1, 10, 100 hoặc 1000mV/g và như vậy sẽ đơn giản hóa rất nhiều các công việc liên quan đến hệ đo lường. Một vài bộ khuếch đại được trang bị thêm bộ tích phân (integrator) để biến đổi tín hiệu ra của gia tốc kế tỉ lệ với gia tốc thành một tín hiệu tỉ lệ với vận tốc hoặc chuyển vị. Các bộ lọc khác nhau cũng có thể được thêm vào bộ khuếch đại để giới hạn đáp ứng theo tần số trong miền tần số cao hoặc thấp để tránh vấn đề nhiễu của tiếng ồn điện hoặc của tín hiệu nằm ngoài phần tuyến tính của tầm tần số của gia tốc kế. Các phương tiện khác như bộ chỉ báo quá tải (overload indicator), bộ tạo rung tham chiếu (reference oscillator), bộ chỉ báo điều kiện pin (battery condition indicator) cũng thường được thêm vào bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại được dùng khi đo rung động trên máy mài là do hãng PCB Piezotronics của Mỹ sản xuất có số series 481A01. Mặt trước: Mặt sau: Hình 4.8. Bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu Một số thông số kỹ thuật của máy: Số kênh: 16 Cồng giao tiếp: RS-232 hoặc RS-485 Dải điện áp vào: ±10VDC Điện áp ra cực đại : 50mV Trở kháng ra: 50Ω Dải tần số tín hiệu vào: 0,5Hz - 100 kHz Đặc tính chuyển đổi của bộ khuếch đại là tuyến tính ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 4.3.1. Chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ Máy mài được sử dụng trong quá trình thực nghiệm là loại máy Liên Xô có số series 3Г71M. Số vòng quay của trục bánh mài là 2740v/ph. Theo tính toán sơ bộ thì số vòng quay này không đáp ứng được yêu cầu cắt tốc độ cao trong quá trình mài. Để thỏa mãn yêu cầu đó đồng thời điều khiển vận tốc đá ta phải tìm biện pháp điều khiển tốc độ động cơ. Loại động cơ truyền động đến ụ bánh mài là động cơ không đồng bộ 3 pha. Tốc độ của động cơ được tính theo công thức sau: (4.7) Trong đó n: số vòng quay của động cơ (vòng/ph) f: tần số dòng điện trên stato (Hz) p: số đôi cực của động cơ s: hệ số trượt Từ công thức trên ta có thể thấy đề điều khiển tốc độ động cơ ta có thể làm theo một trong các cách sau: Thay đổi tần số dòng điện trên Stato. Việc thay đổi tần số f của dòng điện được thực hiện bằng bộ biến đổi tần số. Cách điều chỉnh này cho phép điều chỉnh tốc độ với đường đặc tính khá bằng phẳng trong một phạm vi rộng. Thay đổi hệ số trượt s bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato. Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp. Nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điện áp là giảm khả năng quá tải của động cơ, dải điều chỉnh tốc độ hẹp, tăng tổn hao ở dây quấn roto. Cách điều chỉnh này chủ yếu dùng cho động cơ công suất nhỏ có hệ số trượt tới hạn lớn. Thay đổi số đôi cực. Với động cơ trên máy cũ hiện có thì phương pháp này là rất khó thực hiện vì ta phải thay đổi cấu tạo của động cơ. Từ những phân tích trên ta có thể thấy điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số là cách làm phù hợp nhất. Hiện nay việc thay đổi tần số được thực hiện trên máy biến tần (Frequency Inverter). Các máy biến tần cũng là những thiết bị có hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng. Trong các động cơ thông thường hệ số trượt s = 0,02 ÷ 0,04, ta có thể sử dụng công thức tính số vòng quay của động cơ gần đúng như sau: (4.8) Trong đó n: số vòng quay của động cơ (vòng/ph) f: tần số dòng điện trên stato (Hz) p: số đôi cực của động cơ Với động cơ đã có thì p = 1. Từ công thức trên ta có công thức tính tần số như sau: (4.9) Từ yêu cầu về số vòng quay ta có thể dễ dàng tính ra tần số cần dùng nhờ công thức trên. 4.3.2. Điều khiển động cơ bằng máy biến tần Máy biến tần đã được thí nghiệm là máy của hãng Hitachi mang số series L200 (037LFU). Đặc tính kỹ thuật cơ bản của máy L200: Công suất động cơ cực đại mà máy tải được: 3.7kW Công suât thực của máy: 6.3kVA Điện áp vào Dòng điện vào cực đại: 20A Điện áp ra trên mỗi pha 200 - 240V Dòng điện ra cực đại: 15,9A Dải tần số ra: 0.5 – 400Hz Độ chính xác tần số: 0,1% tần số cực đại Khả năng quá tải: 150% dòng cho phép trong 60s Khối lượng: 1,9 kg Hình 4.9. Máy biến tần Hitachi L200 Hình 4.10. Các nút bấm trên máy biến tần và cách sử dụng Hình 4.11. Các bước đặt tần số cực đại cho máy biến tần Hình 4.12. Điều khiển động cơ bằng máy biến tần CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍN HIỆU 4.4.1. Các định nghĩa Tín hiệu là biểu diễn vật lý của thông tin Nếu biến độc lập của sự biểu diễn toán học của một tín hiệu là liên tục thì tín hiệu đó được gọi là tín hiệu liên tục Nếu hàm của tín hiệu liên tục là liên tục thì tín hiệu đó được gọi là tín hiệu tương tự Nếu tín hiệu được biểu diễn bởi hàm của các biến rời rạc thì tín hiệu đó được gọi là tín hiệu rời rạc Nếu hàm của tín hiệu rời rạc là liên tục thì tín hiệu đó được gọi là tín hiệu lấy mẫu Nếu hàm của tín hiệu rời rạc là rời rạc thì tín hiệu đó được gọi là tín hiệu số 4.4.2. Các hệ thống xử lý tín hiệu Người ta phân loại các hệ thống xử lý theo chính tín hiệu cấn xử lý Chúng ta có một hệ thống tương tự nếu đầu vào của hệ ta đặt một tín hiệu tương tự thì đầu ra ta có tín hiệu tương tự. 4.4.3. Tín hiệu trong miền thời gian Những tín hiệu biến đổi theo thời gian xuất hiện trong hầu hết các ngành của vật lý và nền tảng chủ yếu của các tín hiệu này là tương tự nhau. Chẳng hạn như dạng các phương trình chuyển động của hệ vật rắn – lò xo và các phương trình dao động điện từ trong mạch LC là tương tự nhau. Rất nhiều tín hiệu trong tự nhiên thể hiện chuyển động dạng dao động tuần hoàn. Những dạng dao động tuần hoàn có thể quan sát được trong các hệ cơ học (dao động của dây đàn, chuyển động của hệ trọng vật – lò xo…) và trường điện từ (sóng radio, vi sóng, ánh sáng nhìn thấy…). Người ta có thể dùng cùng một dạng cơ bản của phương trình toán học để mô tả dao động cơ học và dao động điện từ. Khi dao động tuần hoàn ở dạng đặc biệt là dao động điều hòa, việc biểu diễn khá đơn giản. Ví dụ, phương trình chuyển động của hệ vật rắn – lò xo không có bộ tắt chấn động lực được rút ra từ định luật II Newton, và định luật Hooke: (4.10) Từ định các phương trình của Maxwell, người ta rút ra phương trình vi phân mô tả sự biến động điện tích trong mạch LC là: (4.11) Về mặt toán học, 2 phương trình vừa nêu hoàn toàn tương tự nhau. Kết quả sau khi giải chúng như sau: (4.12) Trong đó f: tần số dao động φo: pha ban đầu (xác định giá trị của hàm tại thời điểm t = 0) a: biên độ dao động Vecto tín hiệu x(t) có thể được viết theo dạng phức nhờ công thức Euler: (*) Các tín hiệu mô tả dao động điều hòa đơn giản có thể dễ dàng mở rộng ra để mô tả các tín hiệu phức tạp hơn. Khi chịu các ảnh hưởng không cố định ví dụ như lực ma sát hay điện trở làm thay đổi biên độ tức thời của tín hiệu và có thể được mô tả bởi khái niệm biên độ biến đổi theo thời gian: Khi hệ cơ học chịu một ngoại lực cưỡng bức, đáp ứng sẽ là một dao động theo tần số ngoại lực, không phải theo tần số riêng của hệ. Tuy nhiên, dạng đáp ứng của hệ cũng giống như phương trình (*) trên nếu ngoại lực có tần số và biên độ không đổi. Nếu ngoại lực có biên độ biến đổi theo thời gian và tần số không đổi thì đáp ứng có dạng sau: Trong đó fi(t) là tần số tức thời của ngoại lực tại thời điểm t. Ta có định nghĩa chung cho tần số tức thời của tín hiệu thời gian: Nếu ngoại lực có tần số và biên độ thay đổi, đáp ứng có dạng tổng quát như sau: Trong nhiều trường hợp 2 hay nhiều sóng có thể đi ngang qua một khoảng không gian mà chúng không phụ thuộc nhau, như vậy sẽ sinh ra một dạng tín hiệu đơn giản là tổng của tứng sóng riêng rẽ, hay còn gọi là nguyên lý chồng chất: Nguyên lý chồng chất chỉ đúng khi các quy luật tuyến tính của cơ học và điện từ học còn áp dụng được. Nếu các sóng nhiễu quá lớn, các phương trình cơ bản sẽ trở thành phi tuyến và không áp dụng được nguyên lý chồng chất nữa.Tín hiệu dao động có rất nhiều dạng khác nhau, dưới đây là một cách phân loại. Tín hiệu Tất định Ngẫu nhiên Không dừng Dừng Tuần hoàn Không tuần hoàn Điều hòa Tuần hoàn nhiều tần số Hầu như tuần hoàn Ngắn ngủi Hình 4.13. Phân loại các loại tín hiệu 4.4.4. Tín hiệu số Như đã trình bày, tín hiệu dao động từ đầu đo đo được chuyển sang bộ khuếch đại và mạch lọc. Tín hiệu đó ở dạng tín hiệu điện tương tự. Để số hóa các tín hiệu đó, ta dùng bộ chuyển đổi số - tương tự ADC. Các tham số cần thiết cho quá trình làm việc của ADC gồm: Tần số lấy mẫu: fs Số điểm lấy mẫu: N  4.14. Số hóa tín hiệu tương tự Từ 2 tham số trên ta có thể tính ra khoảng thời gian đo t Độ phân giải thời gian Δt được tính như sau: Khi tín hiệu đã được lưu dưới dạng số, ta có thể dùng nhiều phương pháp để xử lý, trong đó có một phương pháp là biến đổi Fourier. 4.4.5. Phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và Fourier nhanh (FFT) Mỗi tín hiệu bất kỳ đều có thể biểu diễn trong miền thời gian và trong miền tần số. Khi biểu diễn trong miền thời gian, biến là thời gian t, hàm của tín hiệu có dạng y=f(t). Khi biểu diễn trong miền tần số, biến là tần số f, hàm của tín hiệu có dạng Y=F(f). Hai cách biểu diễn này quan hệ với nhau nhờ phép biến đổi Fourier và muốn vận dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thì người ta phải biết vận dụng hai cách biểu diễn đối ngẫu đó. Phép biến đổi Fourier được ứng dụng cho những dạng tín hiệu mà hàm của chúng có thể là những hàm tuần hoàn, những hàm không tuần hoàn và trường hợp là hàm ngẫu nhiên biết được trong khoảng (0,T). Phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) Trong trường hợp tín hiệu cho dưới dạng rời rạc, để tìm phổ rời rạc của tín hiệu ta sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc. Xét một tín hiệu liên tục x(t) cho trước trong khoảng (0,T), ta có thể viết x(t) dưới dạng Kotelnikov: Với T = N.Te N: số giá trị rời rạc ωB: tần số giới hạn trên của tín hiệu Sử dụng biến đổi Fourier ta có: Do việc tính tích phân này khó khăn, người ta đã sử dụng một vài phép biến đổi và đi đến kết quả (-ωB < ω< ωB) Để đi đến biến đổi Fourier rời rạc, các giá trị phổ trong biểu thức trên đây cần phải tính với các giá trị rời rạc. Vậy ta có công thức cuối cùng với phép biến đổi Fourier rời rạc là Phép biến đổi Fourier rời rạc (FFT) có nhược điểm là số lượng phép tính quá lớn. Nếu số lượng giá trị rời rạc là N, để tính theo công thức của biến đổi DFT thì cần thực hiện N2 phép nhân và N2 phép cộng các số phức, vậy tất cả là 2N2 phép tính số học. Khi N lớn (đòi hỏi độ chính xác cao) thì việc xử lý gặp phải khó khăn lớn. Để đơn giản hóa việc tính biến đổi Fourier, người ta sử dụng thêm những thuật toán đặc biệt, nó cho phép cắt giảm số lượng phép tính. Đó chính là phép biến đổi Fourier nhanh (FFT). Phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) Có nhiều loại biến đổi FFT, mỗi loại đều dựa trên một cách thực hiện phép nhân nhưng phổ biến nhất là thuật toán của Cooley và Tukey (1965). Xét một dãy số xk ta tính biến đổi Fourier rời rạc theo biểu thức đã biết: Với N là số chẵn, dãy số xk có thể chia thành 2 dãy gi và hi. Trong đó dãy gi là dãy số chẵn còn hi là dãy số lẻ, mỗi dãy số có N/2 thành phần. gi = x2i hi = x2i+1 Sử dụng biến đổi Fourier rời rạc cho mỗi dãy ta có: Đặt Từ đó ta có: Tất cả thành phần của dãy xk đều chứa trong gk và hk, ta có thể viết: Sn = Gn + WnHn Như vậy là giá trị Sn có thể tính theo các giá trị đã biết Gn và Hn. Tuy vậy biểu thức trên chỉ đúng khi , vì Gn và Hn sẽ không xác định khi n lớn. Đối với n ≥ N/2 thì có thể tính Sn theo tính chất tuần hoàn của biến đổi Fourier rời rạc. Sn = Gn-N/2 + WnHn-N/2 Sn = Vì Wn = -W(n-N/2) Quá trình tính được biểu diễn như hình vẽ dưới đây, việc nhân với hàm Wn được biểu diễn theo hình mũi tên.  Xét G2 và H2W2, tổng của chúng là S2 còn hiệu của chúng S6. Để tính Gn và Hn cần phải thực hiện hai biến đổi Fourier rời rạc. Số các giá trị rời rạc lúc này là N/2. Như thế số các phép tính số học trong mỗi phần là 2(N/2)2 = N2/2 và còn (N+N/2) phép tính để tính các giá trị Sn nên tổng số phép tính là: Như vậy với giá trị N lớn thì cách tính này sẽ làm giảm số lượng phép tính xuống so với phương pháp DFT là 2N2. Nếu như N là số chẵn thì ta có N/2, nếu N/2 cũng là số chẵn thì ta có thể tính Gn, Hn theo FFT một lần nữa, quá trình rút gọn cứ tiếp tục cho đến khi chỉ còn lại hai giá trị cho DFT mới dừng. 4.4.6. Biên độ tín hiệu dao động Biên độ dao động là tham số dùng để miêu tả tính chất quan trọng của dao động. Có nhiều cách thức khác nhau để xác định biên độ dao động. Hình 4.14 cho thấy sự liên quan giữa các mức đỉnh – đến – đỉnh (peak – to – peak value), mức trung bình (average value) và mức quân phương (root mean square value – RMS). Trong những giá trị vừa kể, chỉ có hai loại thường được dùng nhiều nhất là trị số quân phương và trị số đỉnh. Trong hai loại giá thông dụng vừa nói ở trên, trị số quân phương là mức đo biên độ được dùng nhiều nhất vì ngoài đặc tính xác định tín hiệu theo thời gian, trị số này còn liên quan đến trực tiếp đến năng lượng của tín hiệu, và từ đó là khả năng phá hoại của dao động. Trị số quân phương được xác định bằng biểu thức. Trị số đỉnh được dùng nhờ đặc tính cho biết giá trị cực đại tức thời mà không cần xét đến thời gian sản sinh ra nó. Chính vì điều này mà trị số đỉnh rất cần thiết cho việc xác định mức độ của các loại sốc có thời gian xảy ra rất ngắn. Đối với một tín hiệu hình sin, mối liên hệ giữa hai loại trị số quân phương và trị số đỉnh được diễn tả bằng: Với bất kỳ loại tín hiệu nào, dạng tổng quát của mối liên hệ này là trong đó Fc là hệ số đỉnh (crest factor) và là một chỉ số về dạng sóng của dao động của dao động cần quan tâm Biªn ®é Thêi gian X peak X RMS X average T X peak-to-peak Hình 4.15. Các loại biên độ của tín hiệu điều hòa QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐO 4.5.1. Máy mài 3Г71M Máy dùng để mài chính xác cao (bằng vòng rìa bánh mài) bề mặt những chi tiết khác nhau bằng thép, gang và kim loại màu. Vật mài, tùy theo vật liệu, hình dáng và kích thước, có thể được kẹp chặt trên tấm nam châm điện hoặc ngay trên bề mặt làm việc của bàn máy. Bàn chuyển vị dọc nhờ dẫn động thủy lực với việc điều chỉnh vô cấp tốc độ. Ụ mài và bàn máy có thể chuyển vị gia tốc định vị. Do hệ thống bôi trơn tất cả các cơ cấu làm việc tin cậy nên máy chạy liên tục trong thời gian dài mà vẫn giữ được độ chính xác ban đầu. Máy có bộ phận phun chất lỏng làm mát vùng mài. Do đế máy, cột, bàn và ụ mài có kết cấu hợp lý nên máy rất vững chắc, loại trừ được khả năng gây rung, nhờ đó bề mặt vật gia công có độ chính xác cao và bóng. Thông số cơ bản: Khoảng cách từ đường tâm trục chính đến mặt bàn làm việc: 80-450mm Độ phẳng bề mặt đã gia công và độ song song của nó đối với đáy: 0,004mm trên diện tích 120´373 mm Độ chính xác và độ bóng bề mặt gia công Ñ10 Kích thước bánh mài cho phép: 250´32´76mm Số vòng quay của trục bánh mài: 2740v/ph Động cơ điện của trục bánh mài: 2,2kW´3000v/ph Kích thước lớn nhất của vật gia công: 630´200´320mm 4.5.2. Đá mài và phôi Đá mài của Nhà máy đá mài Hải Dương mang số hiệu Cn46.CV1.G1 250´32´67. Ý nghĩa của các thông số: Cn: hạt mài Coridon nâu 46: cỡ hạt trung bình (kích thước hạt 400-500 mm) CV1: độ cứng vừa G1: chất kết dính gốm 250´32´67: đường kính ngoài´chiều cao´đường kính lỗ Phôi thí nghiệm làm bằng vật liệu thép C45 có các kích thước như hình vẽ dưới đây Hình 4.16. Kích thước phôi thép dùng để thí nghiệm Phôi thép được kiểm định tại Viện công nghệ thuộc Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp. Phiếu báo kết quả kiểm định được đính kèm theo tại phần phụ lục của đồ án. 4.5.3. Trình tự thực hiện thí nghiệm Trước khi thực hiện thay đổi chế độ cắt, cho máy chạy không tải và đo rung động của máy lúc này. Dữ liệu rung động đó được lưu vào file sig_1.txt Để khảo sát tác động của từng thông số công nghệ, ta thay đổi một thông số và giữ nguyên các thông số còn lại. Lặp lại quá trình đó nhiều lần ta sẽ thu được kết quả. Thực tế quá trình thí nghiệm đã được tiến hành như sau: Thay đổi vận tốc cắt V trong khoảng 36,5 ÷ 44m/s, giữ nguyên Sd = 12m/ph, t = 0,05mm Thay đổi chiều sâu cắt t trong khoảng 0,03 ÷ 0,09mm, giữ nguyên V = 40m/s, Sd = 12m/ph Thay đổi lượng chạy dao dọc Sd trong khoảng 10 ÷ 25m/ph, giữ nguyên V = 40 m/s, t = 0,03mm Các số liệu đo dao động được lưu vào máy tính thành từng file tương ứng với mỗi chế độ cắt. Cứ mỗi lần thực hiện xong một chế độ cắt, ta đo độ nhám bề mặt của chi tiết và ghi lại. Các giá trị thay đổi cụ thể và tên file dữ liệu kết quả được trình bày trong bảng sau: V (m/s) t (mm) S (m/ph) Tên file chứa dữ liệu Độ nhám bề mặt Ra 36.5 0.05 12 sig_3.txt 1,98 39.25 0.05 12 sig_4.txt 1,90 40 0.05 12 sig_5.txt 1,75 42 0.05 12 sig_6.txt 1,67 43.57 0.05 12 sig_7.txt 1,45 40 0.03 12 sig_8.txt 1,96 40 0.05 12 sig_9.txt 1,68 40 0.07 12 sig_10.txt 1,31 40 0.09 12 sig_11.txt 1,11 40 0.03 10 sig_12.txt 1,89 40 0.03 15 sig_13.txt 1,64 40 0.03 20 sig_14.txt 1,30 40 0.03 25 sig_15.txt 1,03 Tín hiệu đo được lấy mẫu với tần số f = 1000Hz, thời gian đo là T = 2,048s. Như vậy số điểm tín hiệu đo được là: n = f . T = 1000 . 2,048 = 2048 XỬ LÝ SỐ LIỆU BẰNG MATLAB 4.6.1. Đánh giá biên độ dao động bằng mức quân phương RMS Như đã trình bày trong mục 4.4.6, khi đánh giá biên độ dao động ta dùng chỉ số RMS. Về mặt toán học hàm RMS được tính theo công thức: Khi tính cho tín hiệu rời rạc, công thức đưa về dạng sau: Trong phần mềm Matlab không có hàm tính RMS trực tiếp từ các tín hiệu, muốn có giá trị này ta phải sử dụng công thức sau: Trong đó: norm(x) là hàm tính từ tín hiệu x đưa vào n là số phần tử của Vecto tín hiệu x, n = length(x) sqrt(n) là hàm tính Tín hiệu thu được từ các file được load vào với các lệnh: sig_i = load (sig_i.txt); Riêng file sig_1.txt là file chứa tín hiệu rung động của máy khi chạy không tải, cần phải được xử lý trước để làm cơ sở cho việc xử lý các tín hiệu tiếp theo. Giá trị RMS của file sig_1.txt được tính nhờ lệnh sau: rms_sig_1 = norm(sig_1)/sqrt(length(sig_1)); Các giá trị RMS của file tín hiệu khác được tính chung nhờ chuỗi lệnh dưới đây: rms_sig_i = norm(sig_i)/sqrt(length(sig_i)) - rms_sig_1; Thực hiện lệnh theo trình tự trên, kết quả thu được như bảng dưới đây: V (m/s) t (mm) S (m/ph) Giá trị RMS Độ nhám bề mặt Ra 36.5 0.05 12 9.78 1,98 39.25 0.05 12 9.53 1,90 40 0.05 12 9.21 1,75 42 0.05 12 8.86 1,67 43.57 0.05 12 8.14 1,45 40 0.03 12 7.16 1,96 40 0.05 12 7.86 1,68 40 0.07 12 9.24 1,31 40 0.09 12 12.33 1,11 40 0.03 10 2.48 1,89 40 0.03 15 3.15 1,64 40 0.03 20 3.65 1,30 40 0.03 25 4.05 1,03 Biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị như sau: Hình 4.17. Mối quan hệ giữa RMS và độ nhám với vận tốc đá V Hình 4.18. Mối quan hệ giữa RMS và độ nhám Ra với chiều sâu cắt t Hình 4.19. Mối quan hệ giữa RMS và độ nhám với lượng chạy dao dọc S Từ các đồ thị trên ta tạm thời dự báo quan hệ giữa RMS với vận tốc đá V có dạng hàm số mũ như sau: RMS = a . Vx (*) Để tìm 2 hệ số a và x cho hàm số ta sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính theo các bước: lấy ln 2 vế thu được: lnRMS = lna + x.lnV bảng số liệu tương ứng như sau: RMS V ln RMS ln V 9.78 36.5 2.28034 3.59731 9.53 39.25 2.25444 3.66995 9.21 40 2.22029 3.68888 8.86 42 2.18155 3.73767 8.14 43.57 2.09679 3.77437 - Sử dụng phần mềm EViews 5 để tính hồi quy được bảng kết quả sau : Dependent Variable: SER01 Method: Least Squares Date: 05/13/08 Time: 19:15 Sample: 1 5 Included observations: 5 Variable Coefficient Std. Error t-Statistic Prob.   x -0.997296 0.208057 -4.793384 0.0173 lna 5.890330 0.768589 7.663823 0.0046 R-squared 0.884511     Mean dependent var 2.206682 Adjusted R-squared 0.846015     S.D. dependent var 0.071762 S.E. of regression 0.028160     Akaike info criterion -4.012637 Sum squared resid 0.002379     Schwarz criterion -4.168862 Log likelihood 12.03159     F-statistic 22.97653 Durbin-Watson stat 2.024884     Prob(F-statistic) 0.017273 Từ bảng trên ta có lna = 5,89 và x = -0,99 với độ tin cậy R2 = 88% Suy ra a = e5,89 = 361,4. Phương trình quan hệ giữa RMS và vận tốc đá cuối cùng thu được: RMS = 361,4 . V -0,99 Từ đồ thị ta cũng dự đoán phương trình quan hệ giữa RMS và chiều sâu cắt t: RMS = b . V y Làm theo các bước tương tự trên ta có 1 bảng số liệu, 1 bảng kết quả: RMS t ln RMS ln t 7.16 0.03 1.96851 -3.5066 7.48 0.04 2.01223 -3.2189 7.86 0.05 2.06179 -2.9957 8.54 0.06 2.14476 -2.8134 9.24 0.07 2.22354 -2.6593 10.81 0.08 2.38043 -2.5257 12.33 0.09 2.51204 -2.4079 - Sử dụng phần mềm EViews 5 để tính hồi quy được bảng kết quả sau : Dependent Variable: SER01 Method: Least Squares Date: 05/13/08 Time: 19:24 Sample: 1 4 Included observations: 4 Variable Coefficient Std. Error t-Statistic Prob.   y 0.462533 0.137205 3.371118 0.0779 lnb 3.529290 0.400842 8.804699 0.0127 R-squared 0.850349     Mean dependent var 2.191470 Adjusted R-squared 0.775524     S.D. dependent var 0.238273 S.E. of regression 0.112891     Akaike info criterion -1.217934 Sum squared resid 0.025489     Schwarz criterion -1.524787 Log likelihood 4.435868     F-statistic 11.36444 Durbin-Watson stat 1.967704     Prob(F-statistic) 0.077856 Phương trình quan hệ giữa RMS và vận tốc đá cuối cùng thu được: RMS = 34,1 . t 0,46 Với độ tin cậy R2 = 85% 4.6.2. Ứng dụng biến đổi FFT xử lý tín hiệu đo rung Mô hình lý thuyết sử dụng biến đổi FFT để xử lý tín hiệu Tín hiệu rung động FFT Phổ năng lượng theo tần số Các câu lệnh sau được dùng để đưa tín hiệu dao động về phổ năng lượng theo tần số: fft_i = fft(sig_i,512); m_i = abs(fft_i); m_i = m_i/256; plot(f,m_i(1:256)); Khi đã có phổ năng lượng theo tần số, ta xét tiếp biên độ dao động cực đại trên phổ đó, từ đó có cách đánh giá mức độ rung động. Biên độ dao động cực đại xét trên miền tần số như vậy còn thể hiện được tần số nào có biên độ dao động lớn. Tiếp đó xác định nguyên nhân gây ra dao động ứng với tần số đó để làm giảm dao động. Câu lệnh để tìm biên độ dao động cực đại: m_i_max = max(m_i(1:256)); Kết quả xác định biên độ dao động cực đại được trình bày trong bảng dưới đây: V (m/s) t (mm) S (mm/ph) Biên độ dao động cực đại Độ nhám bề mặt Ra 36.5 0.05 12 1.49 1.98 39.25 0.05 12 1.47 1.90 40 0.05 12 2.26 1.75 42 0.05 12 2.02 1.67 43.57 0.05 12 2.00 1.45 40 0.03 12 1.27 1.96 40 0.05 12 1.93 1.68 40 0.07 12 2.09 1.31 40 0.09 12 2.58 1.11 40 0.03 10 0.71 1.89 40 0.03 15 1.00 1.64 40 0.03 20 1.32 1.30 40 0.03 25 1.49 1.03 Nhận xét chung: Khi đánh giá dao động bằng biên độ dao động trung bình RMS trong dải số liệu đã khảo sát được, có các quan hệ sau: Khi tăng vận tốc đá V thì rung động giảm Khi tăng chiều sâu cắt t thì rung động tăng Khi tăng lượng chạy dao dọc Sd thì rung động tăng Từ đồ thị và từ 2 phương trình quan hệ đã lập được ta có thể xác định những chế độ cắt hợp lý theo yêu cầu về chất lượng bề mặt hoặc yêu cầu về năng suất, yêu cầu về lượng dư gia công với rung động nhỏ nhất có thể (với điều kiện sản xuất giống như điều kiện thí nghiệm). Ví dụ như muốn có độ nhám bề mặt Ra = 1,6mm, ta có thể tìm chế độ cắt từ 3 biểu đồ bằng cách tương ứng với độ nhám đó dóng lên đồ thị hình 4.17, 4.18, 4.19 để có Sd, V, t. Kết luận chương IV Xây dựng được hệ thống đo dao động trên máy mài phẳng Xây dựng phương pháp đánh giá dao động dựa trên biên độ trung bình RMS và dựa trên biên độ cực đại của tín hiệu Từ kết quả đánh giá dao động đã đưa ra lời khuyên về chế độ gia công để có chất lượng bề mặt chi tiết tốt với rung động nhỏ nhất KẾT LUẬN ĐỀ TÀI Những kết quả chính Đưa ra một cái nhìn tổng thể về gia công cắt gọt vật liệu bằng phương pháp mài, có chú ý đặc biệt đến đặc tính và ứng dụng của phương pháp mài cao tốc trong gia công vật liệu. Nghiên cứu cơ sở kỹ thuật của quá trình sản xuất đá mài tại Nhà máy đá mài Hải Dương. Tìm hiểu rõ hơn về hiện tượng mất ổn định khi gia công vật liệu nói chung và khi mài nói riêng. Xây dựng hệ thống đo rung trên máy mài phẳng đặt tại trung tâm cơ khí chính xác Đại học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống đo này có thể sử dụng được để đo rung động trên các máy công cụ có cấu trúc tương tự như máy phay đứng, phay ngang… Áp dụng được công cụ tính toán rất mạnh của phần mềm Matlab 6.5 vào việc xử lý tín hiệu rung động: Tính được giá trị trung bình quân phương (RMS) của biên độ tín hiệu dao động và xây dựng mối quan hệ giữa RMS với chiều sâu cắt t, vận tốc đá Đưa tín hiệu từ miền thời gian về miền tần số và xét biên độ dao động cực đại trên miền tần số Vẽ đồ thị và biểu diễn tín hiệu để đánh giá độ rung động cho từng chế độ cắt, từ đó tìm ra chế độ cắt có chất lượng bề mặt tốt và rung động nhỏ nhất Những mặt còn hạn chế Đề tài chỉ đưa ra được chế độ cắt có rung động nhỏ nhất với chất lượng bề mặt tốt trong điều kiện cụ thể là máy mài phẳng 3Г71M, đá mài chế tạo tại Nhà máy đá mài Hải Dương, phôi thép C45, chứ chưa đưa ra chế độ cắt tối ưu có rung động nhỏ nhất cho từng cặp vật liệu phôi – đá mài với chất lượng bề mặt tốt. Hướng phát triển Xây dựng mô hình và tính toán chuyển vị, vận tốc rung động từ tín hiệu gia tốc. Nghiên cứu sâu hơn hiện tượng rung động để đưa ra phương pháp xác định chế độ cắt có rung động nhỏ nhất cho từng cặp vật liệu phôi – đá mài Áp dụng phương pháp đã có để đo rung động và xử lý tín hiệu rung động trên các máy công cụ phổ biến khác. PHỤ LỤC 1. Máy đo độ nhám bề mặt SJ201-P/M của hãng Mitutoyo Các đặc điểm chính: Dải đo rộng 350mm (từ -200mm đến 150mm) Thông số đo nhám tương thích với các tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI Cung cấp 19 thông số đo, trong đó có Ra, Rz Giao tiếp RS232 cho phép tạo liên kết với máy tính để chuyển dữ liệu Có thể in ngay kết quả trên máy in kèm theo Thực hiện đo: Bấm nút [START/STOP] khi máy đan ở chế độ đo thì đầu dò bắt đầu chuyển động đo. Màn hình hiện lên “_ _ _ _” Khi đo xong, sẽ có kết quả hiện lên tương ứng với tiêu chuẩn đã chọn. Chiều dài mẫu đo cũng được chọn theo tiêu chuẩn đo. Màn hình dưới đây đang hiện kết quả đo Ra = 2.89mm, với chiều dài mẫu đo là 0,8mm, số đỉnh đo là 5 Sau khi đo xong, nếu muốn thay đổi thông số đo có thể bấm nút [PARAMETER] nhiều lần đến khi có thông số cần thiết. Một số ứng dụng đo thực tế: Đo theo phương thẳng đứng Đo mặt đáy của chi tiết với đồ gá điều chỉnh chiều cao với đồ gá điều chỉnh chiều cao Đo mặt trên của chi tiết Đo theo phương ngang dùng giá đỡ với đồ gá điều chỉnh chiều cao Đáy của đầu dò có rãnh chữ V cho kết quả tốt khi đo độ nhám chi tiết hình trụ Đầu đo gắn trên giá đỡ có từ tính điều chỉnh được Đồ thị các tín hiệu dao động đo được Đơn vị của V, t, S lần lượt là m/s, mm, m/ph Khi chạy không tải Khi V = 36,5 m/s; t = 0,05 s; S = 12 m/ph Khi V = 39,25 m/s; t = 0,05 s; S = 12 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,05 s; S = 12 m/ph Khi V = 42 m/s; t = 0,05 s; S = 12 m/ph Khi V = 43,57 m/s; t = 0,05 s; S = 12 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,03 s; S = 12 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,05 s; S = 12 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,07 s; S = 12 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,09 s; S = 12 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,03 s; S = 10 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,03 s; S = 15 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,03 s; S = 20 m/ph Khi V = 40 m/s; t = 0,03 s; S = 25 m/ph Tài liệu tham khảo [1]. Weiner J., An elastopic thermal - stress analysis of a free plate - Journal of applied mechanics, September 1956, p.395-402. [2]. Boley B., The determination of temperature, stresses, and deflections in two-dimensional thermoelastic problems - Jour. Of the aeronautical sciences, Vol. 23, Nr. 1, 1956, p. 67-75. [3]. Jahanshahi A., Quasi-static stresses due to moving temperature discontinuity on a plane boundary - Trans. of the ASME, Jour. Of applied mechanics, Dec. 1966, p. 814-816. [4]. Boley B., Weiner J., Theory of thermal stresses - John Willey and sons Inc., Third print, 1966, Newyork-London-Sidney. [5]. Johns D., Thermal stress analyses - Pergamon press, First edition, 1965, Oxford-London-Edinburgh-New York-Paris-Frankfurt. [6]. Iwamura Y., Rybicki E., A transient elastic-plastic thermal stress analysis of flame forming - Trans of the ASME, Journal of eng. for ind., Febr. 1973, p.163-171. [7]. Landau H., Weiner J., Zwicky E., Thermal stress in a viscoelastic-plastic plate with temperature dependent yield stress - Trans. of the ASME, Journal of applied mechanics, June 1960, p.297-302. [8]. McKee R., Moore R., Boston O., A study of heat developed in cylindrical grinding - Transactions of the ASME, January 1951, p.21-34. [9]. Tarasov L., Some metallurgical aspects of grinding - Reprint from the book "Machining - theory and practice", American Society for metals. [10]. N., Wheels key to high-speed grinding - Metalworking production, May 1968, p.48-51. [11].Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy “Nguyên lý gia công vật liệu” – NXB Khoa học kỹ thuật 2001 [12]. Nguyễn Hải “Phân tích dao động máy” – NXB Khoa học kỹ thuật 2002 [13]. X.A.Popov, Hà Nghiệp dịch “Mài sắc dụng cụ cắt” [14]. Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến “Giáo trình cảm biến” – NXB Khoa học và kỹ thuật 2001 [15]. Nguyễn Văn Khang “Dao động kỹ thuật” – NXB Khoa học kỹ thuật 2000 [16]. Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh “Kỹ thuật điện” – NXB Khoa học kỹ thuật 2002 [17]. Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm, Nguyễn Trung Dũng, Hà Trần Đức “Lập trình Matlab” – NXB Khoa học kỹ thuật 2002 ._.