Nghiên cứu tính dị hướng của ma sát bề mặt khi mài tinh thép C45

Tạp chí Khoa học và Công nghệ 132 (2019) 046-050 46 Nghiên cứu tính dị hướng của ma sát bề mặt khi mài tinh thép C45 Study on Anisotropy of Surface Friction of Steel C45 Conducted by Fine-Grinding Method Nguyễn Thùy Dương1,* Phạm Văn Hùng1, Nguyễn Văn cảnh2, Nguyễn Trường Sinh3 1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1, Đại Cồ Việt, Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội 2 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Phường Minh Khai, Quận Bắc Từ Liêm, Thành phố Hà Nội 3 Học Viện kỹ thuật Quân sự, 236 Hoàng Quốc Việt, Cổ Nhuế, Bắc Từ Liêm, Hà Nội Đến Tòa soạn: 18-6-2018; chấp nhận đăng: 18-01-2019 Tóm tắt Bề mặt chuyển động của các cặp ma sát đều được gia công bằng các phương pháp công nghệ phù hợp nhằm giảm thiểu ma sát, mòn và nâng cao tuổi khi làm việc. Đối với các cặp ma sát có yêu cầu cao về chất lượng bề mặt và lắp ghép thông thường được gia công lần cuối bằng phương pháp mài tinh. Chuyển động tạo hình của máy công cụ nói chung và chuyển động tạo hình của máy mài nói riêng để gia công được hết các bề mặt luôn tồn tại lượng chạy dao dọc và lượng chạy dao ngang. Hai lượng chạy dao này thường khác nhau về giá trị dẫn tới chất lượng bề mặt ma sát theo phương chạy dao ngang và phương chạy dao dọc là không đồng nhất. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tính dị hướng ma sát bề mặt được gia công bằng phương pháp mài tinh. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể điều khiển được tính dị hướng của ma sát bề mặt thông qua các thông số công nghệ khi trình mài tinh nhằm giảm thiểu ma sát và nâng cao hiệu suất làm việc. Từ khóa: Tạo hình bề mặt mài, ma sát bề mặt, tính dị hướng bề mặt Abstract The moving surfaces of the friction pairs are usually machined using appropriate technological methods to minimize the friction, wear and to improve the longevity. For the friction pairs that require a high surface quality are usually finished by the fine-grinding. The shaping motion of machine tools in general and the grinding machine in particular for machining whole surfaces always exist a longitudinal and horizontal feed rates. These two feed rates are often different so that results in a different quality of horizontal and longitudinal friction surface. This paper presents the study results of anisotropy of the surface friction which is conducted by fine-grinding method. The results show that the anisotropy of surface friction can be controlled through the fine-grinding technological parameters to minimize the friction and to improve the operation efficiency. Keywords: Surface grinding, surface friction, anisotropy of surface 1. Giới thiệu* Chất lượng bề mặt của chi tiết sau khi gia công cơ là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc và quyết định tuổi thọ của chi tiết. Hiện nay, để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết đáp ứng yêu cầu làm việc ngày càng cao, có nhiều phương pháp gia công để nâng cao chất lượng bề mặt: Mài tinh, khôn, nghiền, phun bi, lăn bi Trong đó, mài là phương pháp gia công tinh lần cuối được sử dụng khá phổ biến đối với chi tiết máy có chuyển động và đảm bảo chế độ lắp ghép. Phương pháp mài tinh có thể đạt được cấp độ bóng 9-10[1,2]. * Địa chỉ liên hệ: Tel.: (+84) 904447096 Email: duong.nguyenthuy@hust.edu.vn Do chất lượng bề mặt chi tiết được quyết định bởi công nghệ gia công, vì vậy đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng chế độ gia công tới chất lượng bề mặt của chi tiết thường được đánh giá qua giá trị độ nhám bề mặt Ra, Rz. Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy các thông số công nghệ gia công cơ có ảnh hưởng phi tuyến tới chất lượng bề mặt nói chung và nhám bề mặt nói riêng [3,4]. Về nguyên tắc, để đánh giá chính xác các ảnh hưởng của gia công cơ đến chất lượng bề mặt vẫn cần phải tiến hành thực nghiệm tìm ra quy luật cho các trường hợp cụ thể. Tuy nhiên chất lượng bề mặt nói chung và nhám bề mặt nói riêng chưa làm rõ được bản chất ảnh hưởng này tới chất lượng và hiệu suất làm việc của chi tiết. Trong khi đó, lực ma sát bề mặt nói chung và hệ số ma sát nói riêng là một thông số ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc và hiệu suất làm việc của ma sát. Tạp chí Khoa học và Công nghệ 132 (2019) 046-050 47 Trong quá trình gia công chi tiết máy có sự phối hợp các chuyển động tạo hình trên máy công cụ, cụ thể là chuyển động quay trục chính và các chuyển động chạy dao [5]. Trên thực tế, các chuyển động chạy dao của máy công cụ thường khác nhau. Chính vì vậy, chất lượng bề mặt nói chung, độ nhám nói riêng cũng như bán kính cong đỉnh nhấp nhô theo 2 phương chạy dao (dọc và ngang) có giá trị khác nhau. Đây là nguyên nhân cơ bản dẫn đến chất lượng bề mặt và nhám theo các phương là khác nhau. Sự khác nhau đó có ảnh hưởng trực tiếp đến vectơ lực ma sát so với vectơ tốc độ khi vận hành làm xuất hiện tính dị hướng của ma sát [6] gây dao động và làm mòn cặp ma sát. Điều này rất nguy hiểm vì nó không được kể đến trong quá trình thiết kế chi tiết cũng như vận hành và bảo dưỡng. Việc nghiên cứu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ gia công tinh tới tính dị hướng của lực ma sát là rất cần thiết và sẽ giải thích được những hư hỏng bề mặt không được kể đến trong quá trình tính toán thiết kế nhưng lại xuất hiện trong quá trình làm việc theo các phương khác nhau. 2. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính dị hướng của ma sát bề mặt Mục tiêu thực nghiệm: Khảo sát đánh giá tính dị hướng của ma sát bề mặt chi tiết sau khi mài tinh với các chế độ chạy dao dọc khác nhau. 2.1 Thiết bị thử nghiệm Khảo sát tính dị hướng ma sát bề mặt, sử dụng thiết bị đo ma sát đa năng UMT do hãng CETR của Mỹ chế tạo. Thiết bị có khả năng đo được lực ma sát, đo lượng mòn, thử nghiệm cơ tính, thử nghiệm bôi trơn có sơ đồ nguyên lý như hình 1.1 Hình 1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị UMT Thiết bị sử dụng cảm biến đo siêu chính xác, đo đồng thời tải trọng và mômen từ 2 trục (2D) tới 6 trục (6D), lực có thể được đo chính xác từ mN tới kN với độ phân giải 0.00003% của thang đo. Thiết bị được kết nối và điều khiển bằng máy tính với 16 kênh thu thập dữ liệu có độ chính xác và phân giải cao. Xử lý và hiện thị kết quả bằng phần mềm CETR. Phần mềm cho phép hiển thị 1 hay nhiều đồ thị kết quả đo ở các chế độ khác nhau. Hình 1.2 thể hiện giao diện màn hình hiển thị kết quả đo và xử lý số liệu gồm: Đồ thị tải trọng; Đồ thị mòn; Đồ thị lực ma sát; Đồ thị hệ số ma sát; Vùng cho phép chọn loại đồ thị hiển thị; Giá trị trung bình của từng đồ thị. Hình 2. Giao diện màn hình hiển thị kết quả đo và xử lý số liệu 2.2 Sơ đồ đo Khảo sát tính dị hướng ma sát được tiến hành với viên bi trên tấm phẳng theo tiêu chuẩn ASTM G 133. Lực ma sát dị hướng sẽ xuất hiện khi có sự tương tác ma sát của bi và bề mặt nhám. Tải trọng được đặt lên viên bi tác động lên mẫu phía dưới là tấm phẳng có chuyển động tịnh tiến. Sơ đồ đo được trình bày trên hình 1.3. Hình 3. Sơ đồ đo ma sát 2.3 Mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm được làm từ thép C45 có kích thước 50x30x10mm được mài tinh với ba chế độ chạy dao khác nhau, đạt cấp độ nhẵn bóng 9-10 như trên hình 4. Tạp chí Khoa học và Công nghệ 132 (2019) 046-050 48 Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình mài tinh mẫu thép C45. - Thiết bị chế tạo: Máy mài 3E 711E - Đá mài: Ct 60 – TB1G, D250xd75xB40mm - Vận tốc cắt: V = 35m/s - Chiều sâu cắt: t = 0.03mm - Lượng chạy dao ngang: Sn = 0,3m/ph - Lượng chạy dao dọc: Sd1=15,4m/ph Sd2 = 19,2m/ph, Sd3 = 23m/ph. Hình 4. Mẫu sau khi mài tinh 3. Kết quả và thảo luận Thực nghiệm được tiến hành như sau: Các mẫu được chế tạo phôi ban đầu giống nhau. Sau đó được mài tinh với 3 chế độ gia công tinh khác nhau có Sd1 = 15,4m/ph, Sd2 = 19,2m/ph, Sd3 = 23m/ph. Các mẫu sau khi mài tinh được tiến hành đo lực ma sát trên thiết bị đo UMT, theo 2 phương tương ứng chạy dao dọc và chạy dao ngang để xác định tính dị hướng ma sát với các thông số máy cơ bản như sau: - Tần số 3Hz - Tải tác dụng: P = 20N - Thời gian thử 300s - Hành trình tịnh tiến 10mm Với mỗi mẫu thi nghiệm sẽ xác định tính dị hướng ma sát theo 2 phương chạy dao (dọc hướng gia công và ngang hướng gia công) như hình 5 a/Theo phương chạy dao dọc b/Theo phương chạy dao ngang Hình 5. Phương chuyển động của mẫu đo 3.1 Kết quả thực nghiệm tính dị hướng ma sát theo phương chạy dao dọc Kết quả thực nghiệm khảo sát với Sd/Sn = 15,4/0,3 được thể hiện trên hình 6 Hình 6. Đồ thị lực ma sát dị hướng mẫu 1 Sd1 /Sn= 15,4/0,3 Các giá trị đo ma sát trên hình 6 cho thấy 2 thành phần của lực ma sát có giá trị trung bình là: Theo phương chạy dao dọc Fx= 4,268N, theo phương chạy dao ngang Fy = 1,744N. Đồ thị lực ma sát Fx theo thời gian có dạng đồ thị nguyên tắc biến đổi chung lực ma sát gồm 3 giai đoạn: Giai đoạn dịch chuyển ban đầu, giai đoạn gián đoạn và giai đoạn trượt hoàn toàn [3,4] Thành phần lực ma sát dị hướng Fy có phương vuông góc phương chuyển động đo X (trùng với phương chạy dao ngang). Giá trị Fy nhỏ hơn so với Fx, dao động quanh giá trị trung bình 1,744N và Fy  40% Fx. Tương tự với mẫu 2 có lượng chạy dao Sd2 /Sn = 19,2/0,3 và mẫu 3 có lượng chạy dao Sd3 /Sn = 23/0,3 có đồ thị biến thiên của lực ma sát Fx và lực ma sát dị hướng Fy như trên hình 7 a/ Mẫu 2, Sd2/Sn = 19,2/0,3 b/ Mẫu 3, Sd3/Sn = 23/0,3 Hình 7. Đồ thị lực ma sát dị hướng mẫu 2 và mẫu 3 Từ đồ thị hình 6, 7 cho thấy có sự xuất hiện lực ma sát theo 2 phương X và Y mặc dù mẫu chuyển động theo phương X, điều này thể hiện sự tồn tại của tính dị hướng ma sát bề mặt, giá trị được tổng hợp trong bảng 1 Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Tạp chí Khoa học và Công nghệ 132 (2019) 046-050 49 Bảng 1: Giá trị lực ma sát theo các phương khi thay đổi lượng chạy dao dọc Các thông số Mẫu 1 Sd1 = 15,4m/ph Mẫu 2 Sd1 = 19,2m/ph Mẫu 3 Sd1 = 23m/ph Lực Fx (N) 4,268 4,962 5,64 Lực Fy(N) 1,744 0,653 0,077 Fmst(N) 4,61 5,0 5,64 Từ bảng số liệu 1 cho thấy có sự phụ thuộc của lực ma sát bề mặt vào lượng chạy dao dọc. Khi lượng chạy dao tăng từ 15,4m/ph đến 23m/ph thì lực ma sát Fx tăng từ 16,3% - 32,1% nhưng lực ma sát dị hướng Fy giảm từ 62,56% – 95,6%. 3.2 Kết quả thực nghiệm tính dị hướng ma sát theo phương ngang hướng gia công Kết quả thực nghiệm khảo sát ma sát bề mặt với Sd/Sn = 15,4/0,3 được thể hiện trên hình 8 Các giá trị đo ma sát trên hình 8 cho thấy 2 thành phần của lực ma sát có giá trị trung bình là: Fx = 6,371N, Fy = 0,05N và đồ thị lực ma sát theo thời gian tuân theo nguyên tắc chung. Hình 8. Đồ thị lực ma sát dị hướng mẫu 1 Sd1 /Sn= 15,4/0,3 a/ Mẫu 2, Sd2/Sn = 19,2/0,3 b/ Mẫu 3, Sd3/Sn = 23/0,3 Hình 9. Đồ thị lực ma sát dị hướng mẫu 2 và mẫu 3 Vẫn tồn tại thành phần lực ma sát dị hướng Fy có phương vuông góc phương chuyển động đo X (nhưng Fy lại trùng phương chạy dao dọc). Giá trị Fy khá nhỏ, dao động quanh giá trị 0.05N và Fy = 0.78% Fx Tương tự với mẫu 2 có lượng chạy dao Sd2 /Sn = 19,2/0,3 (m/ph) và mẫu 3 có lượng chạy dao Sd3 /Sn = 23/0,3 có đồ thị biến thiên của lực ma sát Fx và lực ma sát dị hướng Fy như trên hình 9 Từ các đồ thị hình 8, 9 cho thấy sự xuất hiện lực ma sát theo 2 phương X, Y thể hiện tính dị hướng ma sát bề mặt. Giá trị lực ma sát Fy nhỏ từ 0,78% - 32,9% Fx được thể hiện trên bảng 2 Từ bảng số liệu 2 cho thấy khi mẫu đo chuyển động ngang hướng chạy dao dọc, lức ma sát biến thiên theo lượng chạy dao. Giá trị lực ma sát tổng tại lượng chạy dao Sd2 là nhỏ nhất Fmst = 77% - 85% của giá trị lực ma sát tổng ở hai lượng chạy dao còn lại mặc dù giá trị dị hướng Fy là lớn nhất. Bảng 2: Giá trị lực ma sát theo 2 phương khi mẫu chuyển động ngang hướng chạy dao dọc. Các thông số Mẫu 1 Sd1 = 15,4m/ph Mẫu 2 Sd2 = 19,2m/ph Mẫu 3 Sd3 = 23m/ph Fx (N) 6,371 4,665 5,756 Fy(N) 0,05 1,534 0,382 Fmst(N) 6,371 4,91 5,769 Tính dị hướng ma sát bề mặt khi có chuyển động tương đối được thể hiện thông qua đặc trưng dị hướng dh như trên hình 10 Hình 10. Đặc trưng dị hướng bề mặt dh Trên hình 10 cho thấy khi mẫu đo chuyển động với vận tốc dưới tác dụng của tải trọng P, xuất hiện lực ma sát Fmst có phương ngược chiều với góc lệch dh ( ). Fx – Lực ma sát theo phương ngược chiều chuyển động (phương chạy dao dọc hoặc ngang). Fy – Lực ma sát theo phương vuông góc chiều chuyển động. Như vậy, tính dị hướng ma sát bề mặt được xác định thông qua sự tồn tại góc dh (đặc trưng của dị hướng ma sát bề mặt) hợp bởi phương chuyển động và lực ma sát tổng (lực ma sát thực tế). Đặc tính dị hướng của ma sát bề mặt của mẫu thép C45 được mài tinh thể hiện trong bảng 3 Đầu đo tiêu chuẩn Tạp chí Khoa học và Công nghệ 132 (2019) 046-050 50 Bảng 3: Đặc tính dị hướng dh của ma sát bề mặt theo 2 phương chạy dao dh Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 dh_dọc 22,2 0 7,410 0.570 dh_ngang 0.45 0 18.220 3.780 Hình 11 thể hiện đặc tính dị hướng ma sát bề mặt khi lượng chạy dao dọc thay đổi. Từ bảng 3 và đồ thị hình 11 cho thấy, chuyển động mẫu thử theo phương chạy dao dọc tính dị hướng giảm từ 220 - 10 khi tăng lượng chạy dao. Khi chuyển động theo phương chạy dao ngang đặc tính dị hướng dh có tính phi tuyến cao và giá trị dh_ngang lớn nhất đến 180. Hình 11. Đồ thị đặc tính dị hướng bề mặt theo 2 phương chạy dao 4. Kết luận Bề mặt tiếp xúc của các cặp ma sát được gia công bằng các phương pháp cắt gọt nói chung và phương phương mài tinh nói riêng, khi chuyển động tương đối, xuất hiện hiện tượng ma sát dị hướng. Giá trị dị hướng của lực ma sát phụ thuộc vào các thông số công nghệ gia công và được đặc trưng qua góc dh (đặc tính dị hướng) Thay đổi lượng chạy dao dọc trong phạm vi thực tế từ 15,4m/ph – 23m/ph khi mài tinh bề mặt ma sát thì lực ma sát tổng thay đổi từ 8% - 22,3% theo phương chạy dao dọc và 17,5% - 30% theo phương chạy dao ngang. Trong phạm vi thay đổi của lượng chạy dao nghiên cứu cũng như phương chạy dao, lực ma sát dị hướng Fy có giá trị thay đổi trong khoảng 0,78% – 40,86 % của lực ma sát chính Fx. Để tăng hiệu suất làm việc của cặp ma sát trong điều kiện gia công thực tế cần lựa chọn chuyển động tạo hình, phương chạy dao và giá trị lượng chạy dao phù hợp khi gia công chế tạo bề mặt ma sát, đặc biệt khi mài tinh chi tiết để có giá trị lực ma sát và dh theo yêu cầu. Như vậy, sự tồn tại tính dị hướng của ma sát bề mặt là thực tế. Tính dị hướng này phụ thuộc vào chế độ gia công và hướng gia công. Ma sát dị hướng sẽ gây mất ổn định của chi tiết theo phương vuông góc với chuyển động, gây rung động đồng thời gây mòn cho cho các chi tiết đảm nhiệm chức năng hạn chế chuyển động ngang như vai trục, vai và gờ chuyển động quay lồng không, các phanh hãm lò xoTrong quá trình làm việc, việc mòn và gẫy các phanh hãm, lò xo thường xảy ra và là sự cố nghiêm trọng cần phải tránh và cần được quan tâm khi bảo dưỡng và thay thế. Lời cảm ơn Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong đề tài mã số T2017-PC-049. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng, Ma sát học, NXB khoa học & kỹ thuật, 2005 [2] Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Văn Thêm, kỹ thuật ma sát và kỹ thuật nâng cao tuổi thọ thiết bị, NXB khoa học & kỹ thuật, 1990 [3] Mr. Kamlesh Pal1 and Vaibhav Shivhare, The Influence of Cutting Parameter of Surface Grinder on the Surface Finishing and Surface Hardness of Structural Stee, Volume 1, Number 1, December, 2014, pp. 11 -14 [4] Amandeep Singh Padda, Satish Kumar, Aishna Mahajan, Effect of Varying Surface Grinding Parameters on the Surface Roughness of Stainless Steel, International Journal of Engineering Research and General Science Volume 3, Issue 6, November-December, 2015. [5] Phạm Văn Hùng, Nguyễn Phương, Cơ sở máy công cụ, NXB khoa học kỹ thuật, 2006 [6] Nguyễn Trường Sinh, Nguyễn Hữu Thanh, Tạp chí cơ khí, số 1+2, 2018, pp. 40-46