Nghiên cứu chế độ công nghệ sửa đá, bôi trơn - làm nguội và xác định đường kính đá mài tối ưu khi thay đá để nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ XUÂN HƯNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ SỬA ĐÁ, BÔI

TRƠN – LÀM NGUỘI VÀ XÁC ĐỊNH

ĐƯỜNG KÍNH ĐÁ MÀI TỐI ƯU KHI THAY ĐÁ ĐỂ

NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH MÀI LỖ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – NĂM 2019

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ XUÂN HƯNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ SỬA ĐÁ, BÔI

TRƠN – LÀM NGUỘI VÀ XÁC ĐỊNH

ĐƯỜNG KÍNH ĐÁ MÀI TỐI ƯU KHI THAY ĐÁ ĐỂ

NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH MÀI LỖ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 9.52.01.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học 1

PGS. TS. Vũ Ngọc Pi

Người hướng dẫn khoa học 2

GS. TSKH. Bành Tiến Long

THÁI NGUYÊN – NĂM 2019

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là hoàn toàn do bản

thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào (trừ những điểm

được trích dẫn).

Các kết quả tính toán (trừ những điểm được trích dẫn) đều được thực hiện

nghiêm túc, trung thực, không chỉnh sửa, không sao chép của bất kỳ nguồn nào.

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 11 năm 2019

Tác giả luận án

Lê Xuân Hƣng

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lòng biết

ơn chân thành tới tập thể người hướng dẫn khoa học là những người thầy đã dành

nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí của

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện

giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án.

Để có được những kết quả như ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn sự

giúp đỡ nhiệt tình của cán bộ, công nhân của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí chính

xác Thái Hà và Công ty cổ phần Phụ tùng máy số 1 đã giúp đỡ tôi hoàn thành các

công việc liên quan đến thí nghiệm, thực nghiệm và đo đạc.

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp

những người luôn bên cạnh tôi, đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt quá

trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận án.

Tác giả luận án

Lê Xuân Hƣng

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................ii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT................................................... vi

DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................ x

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................xiii

PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1

Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................... 1

Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 3

Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 3

Phạm vi nghiên cứu ………………………………………………………… 3

Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 3

Nội dung nghiên cứu.......................................................................................... 3

Những đóng góp mới......................................................................................... 4

Cấu trúc của luận án........................................................................................... 4

Ý nghĩa của đề tài .............................................................................................. 4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI LỖ.............................................................. 5

1.1. Giới thiệu về mài lỗ......................................................................................... 5

1.1.1. Các sơ đồ mài lỗ ...................................................................................... 5

1.1.2. Trục mang đá của đá mài lỗ..................................................................... 6

1.1.3. Vị trí và vai trò của nguyên công mài lỗ trong quy trình công nghệ....... 8

1.2. Các đặc điểm của quá trình mài lỗ.................................................................. 9

1.2.1. Chiều dài cung tiếp xúc lk ........................................................................ 9

1.2.2. Chiều dày lớp cắt khi mài az

.................................................................. 10

1.2.3. Đường kính tương đương của đá mài.................................................... 11

1.2.4. Quá trình tách phoi của hạt mài............................................................. 11

1.2.5. Năng suất bóc tách của quá trình mài.................................................... 13

1.2.6. Lực trong quá trình mài ......................................................................... 14

1.3. Mòn đá và tuổi bền của đá mài ..................................................................... 16

1.3.1. Mòn đá mài ............................................................................................ 16

1.3.2. Tuổi bền của đá...................................................................................... 18

iv

1.3.3. Chất lượng bề mặt sau mài. ................................................................... 20

1.3.4. Topography của đá mài ......................................................................... 22

1.4. Tổng quan các nghiên cứu về mài lỗ ............................................................ 23

1.4.1. Ảnh hưởng của bôi trơn làm nguội (BTLN) đến quá trình mài lỗ. ....... 24

1.4.2. Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến quá trình mài lỗ. ............................. 29

1.4.3. Ảnh hưởng của chế độ cắt và đá mài đến quá trình mài lỗ. .................. 33

1.4.4. Các mô hình tính toán chi phí trong gia công mài................................. 37

1.5. Kết luận chương 1 ......................................................................................... 41

Nhận xét........................................................................................................... 41

Định hướng vấn đề nghiên cứu........................................................................ 41

CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH MÀI LỖ VÀ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ........................................................... 43

2.1. Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ................................................. 43

2.1.1. Sơ đồ và cơ sở của nghiên cứu nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ...... 43

2.1.2. Chọn thông số đầu vào .......................................................................... 44

2.1.3. Các tham số điều khiển được................................................................. 45

2.1.4. Các tham số nhiễu.................................................................................. 45

2.1.5. Các thông số đầu ra................................................................................ 45

2.1.6. Các giải pháp nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ................................. 46

2.2. Hệ thống thí nghiệm...................................................................................... 47

2.3. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 50

CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG

CỦA CHẾ ĐỘ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI ĐẾN QUÁ TRÌNH MÀI LỖ ...... 51

3.1. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................... 52

3.2. Thiết kế thí nghiệm ....................................................................................... 52

3.3. Thực nghiệm và xử lý kết quả....................................................................... 55

3.3.1. Với dầu Caltex Aquatex 3180 ............................................................... 55

3.3.2. Với dầu Emulsion .................................................................................. 57

3.4.3. Xác định chế độ bôi trơn – làm nguội hợp lý khi mài lỗ....................... 60

3.5. Kết luận chương 3. ........................................................................................ 62

CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG

CỦA CHẾ ĐỘ SỬA ĐÁ ĐẾN QUÁ TRÌNH MÀI LỖ ....................................... 63

v

4.1. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................... 64

4.2. Thiết kế thí nghiệm ....................................................................................... 64

4.3. Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến nhám bề mặt và năng suất khi mài lỗ .... 69

4.3.1. Kết quả thực nghiệm.............................................................................. 69

4.3.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm và tối ưu hóa đơn mục tiêu ................... 69

4.4. Tối ưu hóa đa mục tiêu.................................................................................. 79

4.5. Kết luận chương 4. ........................................................................................ 86

CHƢƠNG 5. XÁC ĐỊNH ĐƢỜNG KÍNH ĐÁ MÀI KHI THAY ĐÁ TRONG

GIA CÔNG MÀI LỖ.............................................................................................. 87

5.1. Phân tích chi phí cho quá trình mài lỗ .......................................................... 87

5.1.1. Tổng thời gian mài 01 chi tiết, tt

............................................................ 88

5.1.2. Chi phí cho máy Cm,h ............................................................................. 90

5.1.3. Chi phí cho con người và chi phí gián tiếp Cwa,h ................................... 90

5.1.4. Chi phí cho đá mài Cgw,p ........................................................................ 90

5.2. Ảnh hưởng của các thông số đến chi phí của quá trình mài lỗ ..................... 91

5.2.1. Mức độ ảnh hưởng................................................................................. 93

5.2.2. Đặc điểm ảnh hưởng.............................................................................. 94

5.3. Đường kính thay đá hợp lý............................................................................ 96

5.3.1. Xác định đường kính thay đá hợp lý ..................................................... 96

5.3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đường kính thay đá hợp lý ............... 97

5.3.3. Mô hình hồi quy xác định đường kính đá mài khi thay hợp lý ........... 101

5.4. Kết luận chương 5 ....................................................................................... 102

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN.............. 104

Kết luận chung ................................................................................................... 104

Hướng nghiên cứu tiếp theo............................................................................... 105

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

................................................................................................................................ 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 108

vi

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

ANOVA Phân tích phương sai (Analysis of Variance)

BTLN Bôi trơn làm nguội

CCD Dạng kế hoạch hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design)

MSD Tổng bình phương trung bình của giá trị đo

LL Lưu lượng dung dịch lít/phút

NĐ Nồng độ dung dịch %

Stiff Độ cứng vững trục mang đá

S/N Tỷ số tín hiệu nhiễu (Signal-to-noise)

DANH MỤC KÝ HIỆU CHÍNH

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

Amt Diện tích mà máy chiếm chỗ m

2

ae,tot lượng dư gia công mm

az Chiều dày lớp cắt khi mài mm

aed Tổng chiều sâu sửa đá mm

a Đoạn chạy vượt quá khi mài mm

Bgw Chiều rộng đá mài mm

Cm,h chi phí cho máy theo giờ VNĐ/h

Cwa,h chi phí cho con người, quản lý theo giờ VNĐ/h

Cmt,h Chi phí cho máy, quản lý, con người theo giờ VNĐ/h

Cgw Giá thành viên đá mài VNĐ/h

Cgw,p Chi phí cho đá mài tính cho một chi tiết VNĐ/h

Cmt,p Chi phí cho máy, quản lý, con người theo chi tiết VNĐ/h

Cmc,y chi phí hệ thống gia công hàng năm VNĐ/năm

Cin,y Chi phí trả lãi ngân hàng hàng năm VNĐ/năm

Cro,y Chi phí cho nhà xưởng hàng năm VNĐ/năm

Cma,y Chi phí duy tu bảo dưỡng hàng năm VNĐ/năm

vii

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

Cen,y Chi phí cho năng lượng (điện) hàng năm VNĐ/năm

Cen giá điện VNĐ/kWh

Cmc Chi phí mua hệ thống gia công VNĐ

Csqm Chi phí nhà xưởng cho 1m2

trong 1 năm VNĐ/m2

năm

CK Số lần sửa đá siêu tinh

D Đường kính trục mang đá mm

D0 Đường kính đá mài ban đầu mm

De Đường kính đá mài khi thay mm

Dtd Đường kính tương đương của đá mài mm

Dgw Đường kính đá mài mm

dw Đường kính chi tiết mm

dw0 Đường kính chi tiết trước gia công mm

dwe Đường kính chi tiết sau gia công mm

E Modul đàn hồi của vật liệu làm trục mang đá N/mm2

fa Lượng chạy dao dọc mm/phút

fr Lượng chạy dao hướng kính mm/htđ

k Số nhân tố khảo sát nghiên cứu thực nghiệm

L Chiều dài trục mang đá mm

lk Chiều dài cung tiếp xúc mm

lw Chiều dài chi tiết mm

MRR Năng suất của nguyên công mài mm

3

/s

Nd Số chi tiết mài được sau 1 lần sửa đá

Nw Số chi tiết mài được của 1 viên đá

nsđ Số lượt sửa đá

nthô, ntinh Số lần sửa đá thô, sửa đá tinh mm

nw Tốc độ quay của chi tiết vòng/phút

ngw Tốc độ quay của đá mài vòng/phút

nht Tốc độ quay chuyển động hành tinh vòng/phút

nđá dẫn Tốc độ quay của đá dẫn

viii

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

Px Lực dọc trục N

Py, Piy Lực pháp tuyến N

Pz

, Piz Lực tiếp tuyến N

Pi Lực cắt trên một hạt mài

Ptot Công suất tổng thể của hệ thống gia công kWh

q Độ mòn đá mg/m

Qw Năng suất bóc tách vật liệu mm

3

/s

Rld Tỷ số lw/dw

Ra Nhám bề mặt m

rs Bán kính lưỡi cắt mm

Ssđ Lượng chạy dao sửa đá mm/phút

Srg Cấp độ nhám

t Chiều sâu cắt mm

tsđ Chiều sâu sửa đá mm

tthô, ttinh Chiều sâu sửa đá thô, sửa đá tinh mm

tw Tuổi bền phút

tt Tổng thờ gian mài một chi tiết giờ

td Thời gian sửa đá giờ

td,p Thời gian sửa đá tính cho mài một chi tiết giờ

tcw Thời gian thay đá giờ

tcw,p Thời gian thay đá tính cho mài một chí tiết giờ

tc Thời gian cơ bản khi mài giờ

tL Thời gian thay chi tiết giờ

ts Thời gian mài hết hoa lửa giờ

tg Cấp chính xác chi tiết

Tuse Thời gian sửa dụng máy giờ/năm

Ttot Số năm khấu hao máy năm

U Độ mòn đá m

Vct Vận tốc chi tiết mm/phút

ix

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

Vđ Vận tốc cắt m/s

Vm Thể tích vật liệu bị bóc đi mm

3

Vm Thể tích kim loại bị bóc tách mm

3

wpd Lượng mòn đá mài sau mỗi chu kỳ tuổi bền mm

α Góc sau độ

 Tỷ số giữa đường kính đá mài khi thay chia cho đường kính đá

mài ban đầu

 Tỷ số giữa đường kính lỗ chia cho đường kính đá mài ban đầu

x

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ mài lỗ có tâm ................................................................................... 5

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mài tròn trong vô tâm ..................................................... 5

Hình 1.3. Kết cấu trục mang đá của đá mài lỗ ........................................................... 6

Hình 1.4. Kết cấu gắn đá mài với trục mang đá ......................................................... 7

Hình 1.5. Các lựa chọn cho quá trình gia công tinh bề mặt lỗ .................................. 8

Hình 1.6. Chiều dài cung tiếp xúc của các phương pháp mài.................................. 10

Hình 1.7. Hình dạng hạt mài và phân tích lưỡi cắt................................................... 12

Hình 1.8. Quá trình tách phoi của hạt mài ............................................................... 12

Hình 1.9. Quá trình tạo phoi khi mài ....................................................................... 13

Hình 1.10. Lực cắt tác dụng lên hạt mài .................................................................. 14

Hình 1.11. Quan hệ Py – Pz

..................................................................................... 16

Hình 1.12. Các dạng của đá mài .............................................................................. 16

Hình 1.13. Các trạng thái mòn của đá mài .............................................................. 17

Hình 1.14. Sự biến đổi của lượng mòn, dạng mòn theo thời gian gia công ............ 17

Hình 1.15: Quá trình mòn của đá ............................................................................. 18

Hình 1.16. Sự hình thành độ nhám bề mặt khi mài.................................................. 20

Hình 1.17. Biên dạng của đá mài. ............................................................................ 23

Hình 1.18. Mô hình hóa quá trình mài .................................................................... 24

Hình 1.19. Hai dạng vòi phun dung dịch BTLN ..................................................... 25

Hình 1.20. Vị trí của vòi phun trong mài lỗ ............................................................ 25

Hình 1.21. Hệ thống BTLN của Nadolny ................................................................ 26

Hình 1.22. Ảnh hưởng của loại dung dịch BTLN và áp suất BTLN đến độ nhám bề

mặt mài .................................................................................................................... 26

Hình 1.23. Độ nhám bề mặt gia công khi mài lỗ 24,4 .......................................... 27

Hình 1.24. Lực mài (Py) khi bôi trơn tối thiểu có chất phụ gia vật liệu nano ......... 28

Hình 1.25. Độ nhám bề mặt (Ra) khi làm nguội tối thiểu có chất phụ gia nano ..... 28

Hình 1.26. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến độ nhám bề mặt mài................ 28

Hình 1.27. Dụng cụ sửa đá kim cương..................................................................... 30

xi

Hình 1.28. Biểu đồ Schmitt mô tả ảnh hưởng của tốc độ bóc tách và lượng tiến dao

khi mài lỗ đến nhám bề mặt .................................................................................... 30

Hình 1.29. Ảnh bề mặt của đá mài CBN trước (phải) và sau (trái) sửa đá ............. 31

Hình 1.30. Cách gá m i sửa đá kim cương một hạt và ảnh hưởng tới..................... 31

độ nhám bề mặt ........................................................................................................ 31

Hình 1.31: Sơ đồ thí nghiệm giám sát quá trình mài lỗ .......................................... 34

Hình 1.32. Phương pháp mài lỗ chạy dao dọc một lần chạy dao (single-pass) ...... 35

Hình 1.33. Biểu đồ chi phí cho quá trình mài ......................................................... 39

Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm................................................................. 43

Hình 2.2. Mô hình nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ ..................................... 46

Hình 2.3. Quan hệ giữa thời gian làm việc của đá mài với chi phí mài................... 47

Hình 2.4 Phôi thí nghiệm thép 90CrSi ..................................................................... 48

Hình 2.5. Hình ảnh máy đo nhám Mitutoyo SV-3100 ............................................. 48

Hình 2.6. Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX-6000 ......................................... 49

Hình 2.7: Đá mài ...................................................................................................... 49

Hình 2.8: M i sửa đá kim cương.............................................................................. 50

Hình 3.1. Ảnh hưởng của các thông số BTLN tới các tham số và kết quả của quá

trình mài.................................................................................................................... 51

Hình 3.2. Sơ đồ thí nghiệm....................................................................................... 52

Hình 3.3. Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm .................................................................. 53

Hình 3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm khi sử dụng dung dịch Caltex Aquatex 3180

.................................................................................................................................. 56

Hình 3.5. Đồ thị bề mặt chỉ tiêu tối ưu hóa khi sử dụng dầu Caltex Aquatex 3180 57

Hình 3.6. Phân tích kết quả thí nghiệm khi sử dụng dung dịch Emulsion............... 59

Hình 3.7. Đồ thị bề mặt chỉ tiêu khi tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion......... 59

Hình 3.8. Số liệu kết quả tối ưu hóa sử dụng dung dịch Aquatex 3180................... 60

Hình 3.9. Đồ thị tối ưu hóa sử dụng dung dịch Aquatex 3180 ................................ 61

Hình 3.10. Số liệu kết quả tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion........................ 61

Hình 3.11. Đồ thị tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion...................................... 61

Hình 4.1. Mô hình quá trình sửa đá với phương pháp sửa đá tiếp xúc .................... 63

Hình 4.2. Sơ đồ thí nghiệm sửa đá ........................................................................... 64

Hình 4.3. Ảnh hưởng của các thông số đến Ra

......................................................... 71

xii

Hình 4.4. Ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của Ra.................................. 73

Hình 4.5. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá đến MRR trung bình ..... 76

Hình 4.6. Topography đá mài................................................................................... 77

Hình 4.7. Ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của MRR............................. 78

Hình 4.8. Đồ thị các ảnh hưởng chính của các thông số .......................................... 83

Hình 5.1. Đồ thị Pareto ảnh hưởng các thông số đến chi phí mài............................ 93

Hình 5.2. Ảnh hưởng của các thông số đến chi phí gia công khi mài lỗ.................. 94

Hình 5.3. Mối quan hệ giữa đường kính đá mài khi thay với chi phí mài ............... 96

Hình 5.4. Khai báo biến thí nghiệm trong phần mềm Minitab ................................ 98

Hình 5.5. Đồ thị các ảnh hưởng chính đến De,op....................................................... 99

Hình 5.6. Đồ thị ảnh hưởng chung của các yếu tố ................................................. 100

Hình 5.7. Đồ thị Pareto của các yếu tố ảnh hưởng D0, Bw, aed, tg, Tw, Wpd, Cmh, Cwh,

Cgw, Rld đến Dop ...................................................................................................... 100