Cháy mài thép khuôn: Nguyên nhân và 3 Cách khắc phục
- Công đoạn mài truyền một lượng nhiệt khổng lồ trực tiếp vào bề mặt chi tiết, dễ gây ra cháy mài trên thép khuôn. Đặc biệt khi dùng hạt mài thường và tưới nguội không tối ưu. Đó là nền tảng của bài toán cháy mài, và cũng chỉ ra ba nhóm đòn bẩy mà một xưởng có thể can thiệp trước tiên.
1. Cơ chế sinh nhiệt độ cao và rủi ro cháy mài
- Năng lượng riêng lớn: Hạt mài có góc trước âm rất lớn, khiến phần lớn công năng không dùng để cắt gọt mà dùng để cày miết và tạo ma sát. Năng lượng riêng để bóc tách một đơn vị thể tích vật liệu khi mài cao hơn tiện hàng chục lần, toàn bộ chuyển hóa thành nhiệt năng tại vùng tiếp xúc cực nhỏ.
- Tỷ lệ phân chia nhiệt: Phoi mài cực nhỏ và bị bắn ra gần như tức thì nên mang đi rất ít nhiệt. Với mài thông thường dùng hạt mài thường, phần lớn nhiệt truyền vào chi tiết. Tỷ lệ này thay đổi theo loại hạt mài, theo hình học tiếp xúc và theo hiệu quả tưới nguội, và trong một số công đoạn như mài chậm sâu với tưới nguội áp lực cao thì phần nhiệt vào phôi giảm đáng kể. Đây là khác biệt cơ bản với tiện và phay, nơi phoi lớn đóng vai trò như một bộ tản nhiệt cuốn nhiệt ra khỏi vùng cắt.
- Hiệu ứng kích thước (size effect). Chiều dày phoi khi mài càng nhỏ thì năng lượng riêng càng lớn. Do đó, việc hạ thấp chiều sâu cắt không đồng nghĩa với việc giảm nhiệt độ theo tỷ lệ thuận.
2. 3 đòn bẩy kỹ thuật giúp kiểm soát hiện tượng cháy mài
Để triệt tiêu nguy cơ cháy mài trên các dòng thép khuôn (SKD11, DC53, SKH51) mà không cần đầu tư thêm máy mới, xưởng gia công có thể điều chỉnh 3 nhóm biến số công nghệ sau.
2.1. Đòn bẩy 1: Kiểm soát tốc độ bóc tách vật liệu riêng
Tốc độ bóc tách vật liệu riêng (Q'w) là chỉ số chi phối trực tiếp lượng nhiệt sinh ra trong vùng cắt, có công thức như sau:
Khi tăng chiều sâu cắt hoặc tăng tốc độ phôi đều làm Q′w và đẩy nhiệt độ vùng mài tăng lên.
Trên thép khuôn nguội AISI D2, một nghiên cứu đã ghi nhận xu hướng này: tăng chiều sâu cắt, tăng tốc độ đá hoặc tăng tốc độ phôi đều đẩy trạng thái ứng suất dư từ nén sang kéo [3]. Về ngưỡng nhiệt độ, Balart và cộng sự đo trên bốn loại thép trong điều kiện thí nghiệm của họ và ghi nhận ứng suất kéo bắt đầu xuất hiện khi nhiệt độ bề mặt vượt khoảng 200 °C với En9 và En31, 500 °C với AISI M2, và 600 °C với CPM 10V [1].
Đây là số đo cho bốn vật liệu đó trong điều kiện đó, không phải ngưỡng cháy chung cho mọi thép công cụ, không ứng dụng trực tiếp cho SKD11, DC53 hay SKH51. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã đưa ra kết luận hữu ích, rằng các ngưỡng xuất hiện ứng suất đều nằm ở mức nhiệt thấp hơn nhiệt độ gây đổi màu bề mặt có thể nhìn thấy bằng mắt thường.
2.2. Đòn bẩy 2: Tối ưu trạng thái bề mặt đá và loại hạt mài
- Duy trì độ sắc của đá: Đá bị cùn hoặc bít phoi (loading) sẽ không thể cắt, mà sẽ cọ xát ma sát. Điều này khiến nhiệt độ tăng vọt dù thông số cài đặt trên máy không đổi. Theo đó, gây ra cháy mài
- Dấu hiệu nhận biết trước khi cháy xuất hiện: tiếng mài rít, dòng điện trục chính tăng, tia lửa nhiều và đỏ hơn, độ nhám chi tiết giảm bất thường (bề mặt bóng hơn nhưng đó là do cọ xát chứ không phải do cắt tốt hơn).
- Tối ưu loại hạt mài: Nó không phải biến điều chỉnh hằng ngày nên không xếp thành biến riêng, nhưng cũng đáng lưu ý. CBN dẫn nhiệt tốt hơn ôxít nhôm khoảng một bậc, nên một phần đáng kể nhiệt sinh ra tại vùng tiếp xúc đi vào hạt mài rồi theo đá ra ngoài, thay vì dồn hết vào chi tiết. Tỷ lệ nhiệt vào phôi vì thế giảm rõ rệt.
2.3. Đòn bẩy 3: Cải tiến hệ thống tưới nguội áp lực cao
Tăng lưu lượng tưới nguội không giúp làm mát nếu dung dịch không vào được vùng mài do màng khí nén được tạo ra bởi đá mài quay tốc độ cao. Vì vậy, để tưới nguội có tác dụng giảm cháy mài, kỹ sư có thể thực hiện cải tiến như sau:
- Đảm bảo vận tốc tia tưới: Vận tốc phun dung dịch phải xấp xỉ tốc độ vòng ngoài của đá mài để xuyên qua lớp màng khí bám xung quanh đá.
- Vòi tưới phải hướng trực diện vào điểm tiếp xúc đúng vùng tiếp xúc, sát điểm vào của đá, không hướng vào giữa chi tiết. Sai lệch vài chục milimet là đủ để mất tác dụng.
- Cân nhắc thêm một vòi làm sạch đá (scrubber nozzle) thổi vào mặt đá ở phía đối diện để chống bít phoi.
3. Phương pháp mài chậm sâu và kỹ thuật đo nhiệt độ
3.1. Nghịch lý của công nghệ mài chậm sâu (Creep-feed Grinding)
Theo suy nghĩ thông thường,chiều sâu cắt càng lớn thì bề mặt tiếp xúc càng nóng. Nhưng thực tế, mài chậm sâu (creep-feed grinding) lại đi ngược với quan điểm này. Mài chậm sâu sử dụng chiều sâu cắt lớn gấp hàng chục lần mài thông thường nhưng chạy tốc độ phôi cực chậm kết hợp tưới nguội áp lực lớn. Vùng tiếp xúc kéo dài giúp dung dịch làm mát có đủ thời gian rút nhiệt, giữ cho nhiệt độ phôi thấp hơn đáng kể so với mài thông thường.
Công nghệ này đòi hỏi máy và hệ tưới nguội chuyên dụng, do đó nó khó ứng dụng. Nhưng dựa theo nguyên lý của công nghệ mài chậm sâu, ta rút ra kết luận sau: nhiệt độ vùng mài không tỷ lệ đơn giản với chiều sâu cắt, mà phụ thuộc vào tổ hợp chiều sâu, tốc độ phôi và hiệu quả rút nhiệt.
3.2. Kỹ thuật đo nhiệt độ vùng mài
Việc đo trực tiếp rất khó vì vùng tiếp xúc bị đá che kín, chỉ tồn tại trong phần nghìn giây tại mỗi điểm, và ngập trong dung dịch. Ba cách được dùng trong nghiên cứu và trong xưởng có điều kiện:
- Cặp nhiệt điện đặt trong chi tiết: khoan một lỗ nhỏ tới gần bề mặt và đặt đầu đo. Cho số liệu tin cậy nhưng phá hủy mẫu, chỉ dùng để hiệu chuẩn chế độ chứ không dùng cho sản xuất
- Đo hồng ngoại qua lỗ dẫn: đưa sợi quang tới sát vùng mài. Chính xác nhưng đắt và khó bố trí.
- Chỉ số gián tiếp: công suất tiêu thụ của trục chính. Đây là cách khả thi nhất cho xưởng — công suất tăng nghĩa là năng lượng riêng tăng, tức là đá đang cùn hoặc chế độ đang nặng. Nhiều máy hiện đại hiển thị sẵn thông số này; việc cần làm chỉ là ghi lại giá trị chuẩn khi đá vừa sửa xong và đặt ngưỡng cảnh báo.
Với xưởng chưa có điều kiện đo trực tiếp, chỉ báo rẻ nhất là màu tia lửa và tiếng mài. Chúng không định lượng được, nhưng một người thợ có kinh nghiệm có thể nhận ra sự thay đổi. Vấn đề là kinh nghiệm đó khó truyền lại và khó lặp lại nếu không có bảng thông số chuẩn đi kèm.
4. 5 quy tắc vận hành xưởng chuẩn hóa chống cháy mài
1. Lập bảng thông số chuẩn cho từng nhóm chi tiết và từng loại vật liệu, coi đó là thông số công nghệ được kiểm soát, không để thợ tự đặt theo cảm giác.
2. Giảm chiều sâu cắt ở các lát cuối và bố trí lát chạy không (spark-out) phù hợp khi cần để bóc phần vật liệu còn lại do biến dạng đàn hồi của hệ máy.
3. Đặt chu kỳ sửa đá theo lượng bóc tích lũy, không theo cảm quan.
4. Kiểm tra vị trí và áp suất vòi tưới nguội định kỳ như một hạng mục bảo trì, bởi vòi bị lệch hoặc tắc là một nguyên nhân âm thầm nhưng rất đáng kiểm tra khi chế độ bỗng dưng nóng lên.
5. Với chi tiết quan trọng, định kỳ tẩm thực nital một mẫu để kiểm chứng rằng chế độ đang dùng không gây chuyển biến tổ chức.
Mời thảo luận
1. Xưởng của bạn đặt chu kỳ sửa đá theo lượng bóc, theo thời gian, hay theo cảm quan của thợ?
2. Bạn có kiểm tra vị trí vòi tưới nguội trong lịch bảo trì không?
3. Đã ai từng đo được nhiệt độ vùng mài trong thực tế chưa, và bằng cách nào?
Bài viết do bộ phận kỹ thuật Công ty Cổ phần Công nghệ Khuôn mẫu Ánh Dương biên soạn,
trong chuyên mục Tài liệu kỹ thuật về công nghệ chế tạo chi tiết khuôn.
Next Post