Nghiên cứu ứng dụng chất lỏng phi Newton trong mài tinh bề mặt cầu

58 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Nguyễn Đức Nam 
Tóm tắt—Trước đây, quá trình gia công mài 
tinh các bề mặt cầu ta phải trải qua nhiều bước 
gia công phức tạp để đạt độ nhám bề mặt theo 
yêu cầu. Để đơn giản hoá quá trình gia công 
này, hạt mài sẽ được trộn với chất kết dính để 
tạo thành một hỗn hợp dung dịch mài. Hỗn hợp 
dung dịch mài này sẽ không tuân theo quy luật 
Newton khi được chuyển động. Quá trình này sẽ 
tạo ra ứng suất cắt cho dung dịch mài tác động 
lên bề mặt gia công. Với phương pháp gia công 
bằng chất lỏng phi Newton thì bề mặt cầu phức 
tạp sẽ được gia công mài tinh bằng một quá 
trình gia công đơn giản. Trong bài báo này sẽ 
nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ mài, nồng độ 
dung dịch mài và kích thước hạt mài đến độ 
nhám bề mặt chi tiết. Kết quả thí nghiệm cho 
thấy rằng, tốc độ mài ảnh hưởng rất lớn đến 
chất lượng bề mặt gia công. Tốc độ gia công 
càng tăng thì độ nhám bề mặt càng giảm. Bên 
cạnh đó, nồng độ dung dịch mài cũng ảnh 
hưởng đến chất lượng bề mặt gia công như tốc 
độ mài. Còn kích thước hạt mài dường như 
không ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia 
công. Kết quả độ nhám bề mặt cầu bằng thép có 
đường kính Ø 40mm sau khi gia công giảm từ 
Ra=130 nm xuống còn Ra = 23 nm. 
Từ khóa—Chất lỏng phi Newton, mài tinh bề 
mặt cầu, tốc độ mài, nồng độ dung dịch mài, 
kích thước hạt mài, độ nhám bề mặt. 
1 GIỚI THIỆU 
gày nay, sự phát triển mạnh mẽ của ngành 
công nghiệp chất bán dẫn, thiết bị quan sát, 
dụng cụ quang học và quang điện tử đã làm tăng 
nhu cầu đối với các bề mặt cong. Các bề mặt cong 
đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực của 
Bài báo này được gửi vào ngày 27 tháng 05 năm 2017 và 
được chấp nhận đăng vào ngày 11 tháng 09 năm 2017. 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi quỹ nghiên cứu khoa học 
cấp cơ sở của Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM (mã số đề 
tài: IUH.KCK 02/2016) 
Nguyễn Đức Nam, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công 
nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. 
(e-mail: nguyenducnam@iuh.edu.vn) 
ngành sản xuất công nghiệp như các cánh quạt của 
động cơ phản lực [1], các thấu kính quang học [2], 
khuôn đúc trong ngành sản xuất sản phẩm nhựa, 
khớp hông và khớp gối nhân tạo trong lĩnh vực cấy 
ghép y sinh học [3]. Các bề mặt này đòi hỏi yêu cầu 
chất lượng bề mặt rất cao và công nghệ gia công 
hiệu suất cao. Trước đây, quá trình gia công tinh bề 
mặt được chế tạo thông qua phương pháp gia công 
truyền thống như tiện, phay và kết thúc bằng mài 
tinh. Quá trình này yêu cầu một lượng thời gian gia 
công lớn nên năng suất hạn chế. Bên cạnh đó, chất 
lượng bề mặt sau gia công chỉ ở một giới hạn nhất 
định. Hiện nay, có rất nhiều công nghệ gia công đã 
được phát triển và áp dụng để gia công các bề mặt 
cong, chẳng hạn như công nghệ gia công bằng bức 
xạ đàn hồi [4], gia công bằng cơ – hóa học [5], gia 
công bằng thủy động lực học [6], gia công bằng 
chất lỏng từ biến [7, 8]. Phương pháp bức xạ đàn 
hồi có thể gia công bề mặt cong đạt chất lượng cao 
nhưng hiệu suất thấp. Phương pháp gia công bằng 
cơ – hoá học có thể đạt hiệu suất cao hơn, tuy nhiên 
chất thải hoá học sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường. 
Phương pháp gia công bằng chất lỏng từ biến được 
áp dụng gia công các bề mặt cong với độ chính xác 
bề mặt cao do được điều khiển bằng máy tính. Tuy 
nhiên, phương pháp này ứng dụng hạn chế do chi 
phí tương đối cao cho chất điện từ và thiết kế các 
điện cực. 
 Để cải thiện hiệu suất và chất lượng bề mặt gia 
công thì phương pháp gia công mài tinh bằng chất 
lỏng phi Newton là cần thiết và cấp bách. Trong 
phương pháp này, ứng suất chất lỏng phi Newton 
được sử dụng để tạo nên quá trình cắt gọt trong gia 
công [9]. Cơ học của quá trình tạo ra ứng suất chất 
lỏng dựa trên sự hình thành, kết dính của các hạt 
tinh thể được thể hiện ở hình 1. 
Hiệu quả của chất lỏng phi Newton là tạo ra ứng 
suất cắt nhờ sự chuyển động của chất lỏng. Dưới 
tác dụng của lực chuyển động, độ nhớt của chất 
lỏng phi Newton sẽ thay đổi và phản ứng hoàn toàn 
khác với chất lỏng thông thường. Chất lỏng phi 
Newton này có khả năng gia công linh hoạt với các 
bề mặt cong mà vẫn đáp ứng được yêu cầu cắt gọt 
và chất lượng bề mặt, trong khi đó dung dịch mài 
có thể sử dụng lại sẽ không gây ảnh hưởng đến môi 
trường. 
Nghiên cứu ứng dụng chất lỏng phi Newton 
trong mài tinh bề mặt cầu 
N 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
59 
Trong bài báo này, mô hình thí nghiệm gia công 
mài tinh bề mặt cầu được thiết lập để nghiên cứu 
ảnh hưởng của các thông số gia công đến chất 
lượng bề mặt để đánh giá khả năng gia công của 
phương pháp. 
Hình 1. Cơ học tương tác của các hạt tinh thể 
2 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG CHẤT 
LỎNG PHI NEWTON 
Trong chất lỏng Newton, độ nhớt là một hằng số 
đối với lực tác động, chỉ thay đổi nếu có thay đổi 
nhiệt độ. Trong khi đó, độ nhớt của chất lỏng phi 
Newton không phải là hằng số, có thể thay đổi theo 
nhiều cách khác nhau dưới tác động của một hay 
nhiều yếu tố: lực, thời gian, nhiệt độ... Khi độ nhớt 
thay đổi, loại chất lỏng này phản ứng hoàn toàn 
khác chất lỏng thông thường: lỏng hóa rắn, rắn hóa 
lỏng, dầy và xốp lên... 
 Sự tương tác giữa các hạt: khi chịu tác động của 
lực, khoảng cách giữa các hạt trong hỗn hợp thay 
đổi. Tại vị trí chịu lực, các hạt chụm lại, tạo thành 
cụm có hình dạng như tinh thể. Đây là nguyên nhân 
khiến dung dịch rắn lại. 
 Cơ học của quá trình gia công được thể hiện 
trong hình 2. Đầu tiên, dung dịch mài được cho 
chuyển động để tạo ra ứng suất cắt. Nếu tốc độ 
chuyển động và chiều sâu cắt không đủ lớn thì quá 
trình cắt gọt không diễn ra. Hạt mài chỉ trượt lên 
trên bề mặt gia công bởi vì lực thuỷ động tác dụng 
lên dung dịch mài không đạt yêu cầu (hình 2a). 
Sau khi lực thuỷ động tác dụng lên dung dịch đủ 
lớn thì hiện tượng đông đặc và độ nhớt của chất 
lỏng không tuân theo định luật Newton trong vùng 
tiếp xúc sẽ tăng lên nhanh chóng. Lúc này, các hạt 
phân tán trong hỗn hợp sẽ kết hợp thành các cụm 
hạt, trong đó hạt mài sẽ được bao quanh bởi các hạt 
kết dính (hình 2b). Kết quả là, dung dịch mài trong 
vùng gia công sẽ hoạt động như một chất rắn tức 
Hình 2. Cơ học của quá trình gia công bằng chất lỏng phi 
Newton 
60 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
thời, và một đĩa mài linh hoạt được hình thành 
trong vùng tiếp xúc, và cường độ mài sẽ tăng lên 
nhanh chóng tác động lên phôi để tăng tốc độ loại 
bỏ vật liệu (hình 2c). Để tăng tốc độ loại bỏ vật liệu 
thì cần tăng tốc độ của dòng dung dịch mài vàchiều 
sâu tiếp xúc thì khi đó lực cắt (Fshear) sẽ lớn hơn lực 
cản sinh ra trên vết nhấp nhô của chi tiết (FR). Khi 
bề mặt gia công được mài phẳng và lực cắt được 
loại bỏ thì cụm hạt kết dính sẽ bị chia tách ra và trở 
về như trạng thái ban đầu như chất lỏng tuân theo 
định luật Newton (hình 2d) [10]. 
Do vậy, tính lưu động của chất lỏng phi Newton 
sẽ tạo ra một đĩa mài linh hoạt có thể phù hợp với 
các bề mặt cong khác nhau. Dung dịch mài sẽ kết 
dính và đông đặc trong gia công và trở lại bình 
thường như chất lỏng Newton một khi lực cắt được 
loại bỏ. Vì vậy, có thể đạt được hiệu quả và chất 
lượng mài bóng cao. Hiệu quả của phương pháp gia 
công này phụ thuộc vào sự chuyển động tương đối 
giữa chi tiết và dung dịch đánh bóng để tạo ra quá 
trình đông đặc. Nguyên lý của quá trình gia công 
được thể hiện ở hình 3. 
Hình 3. Nguyên lý của phương pháp gia công bằng chất lỏng phi 
Newton 
3 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 
Nguyên lý hoạt động và tiến trình thực nghiệm 
như hình 4. Chi tiết được kẹp chặt dưới trục chính 
và được điều khiển bởi một động cơ bước. Động cơ 
và trục chính được lắp đặt trên trục Z, có thể di 
chuyển theo chiều dọc trục Z bằng một trục vít dẫn. 
Ngoài ra, trục Z đã được lắp đặt trên trục X, do đó 
chuyển động qua lại có thể thực hiện được.Chi tiết 
được quay tròn và tịnh tiến lên xuống theo phương 
Z trong quá trình gia công. 
Hình 4. Mô hình thí nghiệm 
Dung dịch mài bóng bao gồm hạt mài và chất kết 
dính được khuấy trộn thành khối dung dịch. Khối 
dung dịch này sẽ được chứa trong một rãnh tròn và 
được điều khiển chuyển động quay tròn bởi một 
động cơ đặt ở dưới cùng của thiết bị. Các thông số 
của quá trình gia công như đường kính chi tiết, tốc 
độ quay của trục chính, đường kính của đĩa mài, tốc 
độ quay của đĩa mài được liệt kê trong bảng 1. Các 
yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và tốc độ cắt 
bỏ vật liệu bao gồm tốc độ gia công, nồng độ dung 
dịch mài và kích thước hạt mài được thiết lập trong 
nghiên cứu này. 
Bảng 1. Thông số máy và chi tiết gia công 
Thông số Giá trị 
Đường kính chi tiết (mm) 40 
Tốc độ quay của trục chính (vòng /phút) 0 - 400 
Đường kính của đĩa mài (mm) 350 
Tốc độ quay của đĩa mài (vòng/phút) 0 - 200 
 Hạt mài được sử dụng trong quá trình thực 
nghiệm là Al2O3. Chi tiết được sử dụng trong thực 
nghiệm là mặt cầu có đường kính 40 mm. Các 
thông số của quá trình thực nghiệm được trình bày 
trong bảng 2. Độ nhám bề mặt sau khi gia công ứng 
với các thông số khác nhau được tiến hành trên 
máy đo độ nhám SJ-310. 
Bảng 2. Thông số máy và chi tiết gia công 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
61 
Thông số Giá trị 
Hạt mài Al2O3 
Đường kính của hạt mài (µm) 3,5; 5; 7,5; 15 
Nồng độ dung dịch mài (wt%) 10, 20, 30, 35 
Tốc độ quay của đĩa mài (vòng/phút) 50, 80, 120, 150 
Tốc độ quay của chi tiết (vòng/phút) 200 
Thời gia gia công (phút) 60 
4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
4.1 Ảnh hưởng của tốc độ cắt 
Quá trình thực nghiệm ảnh hưởng của tốc độ đĩa 
mài đến độ nhám bề mặt được thực hiện với hạt 
mài có đường kính hạt mài trung bình là 7,5 µm và 
nồng độ dung dịch hạt mài 30%. Kết quả ảnh 
hưởng của tốc độ đĩa mài đến độ nhám bề mặt như 
hình 5. Ở kết quả thực nghiệm, độ nhám bề mặt của 
chi tiết giảm khi tăng tốc độ gia công và thời gian 
gia công. Độ nhám bề mặt giảm nhanh ở 3 giờ gia 
công đầu tiên, còn sau đó độ nhám bề mặt có thay 
đổi nhưng tốc độ giảm tương đối ít. Ở thời gian gia 
công 5 đến 6 giờ thì độ nhám bề mặt hầu như 
không thay đổi nhiều. Với tốc độ gia công 
150 (vòng/phút) và sau 6 giờ gia công thì độ nhám 
bề mặt đạt được cao nhất là khoảng 23 nm. 
Hình 5. Quan hệ giữa tốc độ cắt và độ nhám bề mặt 
4.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch mài 
Với kết quả ở hình 6 cho thấy rằng, độ nhám bề 
mặt chi tiết giảm rõ rệt tương thích với sự thay đổi 
của nồng độ dung dịch mài. Độ nhám bề mặt giảm 
nhanh chóng trong một giờ gia công đầu tiên với 
nồng độ dung dịch mài là 30% và 35%. Độ nhám 
bề mặt đạt giá trị tốt nhất là khoảng 24 nm với nồng 
độ dung dịch mài 35%. Tuy nhiên, với nồng độ 
dung dịch mài 10% thì độ nhám hầu như ít thay đổi 
theo thời gian gia công. Điều này có nghĩa là, khi 
nồng độ dung dịch thấp thì tỷ lệ hạt mài trong dung 
dịch sẽ ít, do đó khả năng tạo ra ứng suất cắt, sự kết 
dính và đông đặc của dung dịch giảm xuống. Kết 
quả chất lượng bề mặt gia công sẽ giảm xuống. 
Hình 6. Quan hệ giữa nồng độ dung dịch mài và độ nhám bề mặt 
4.3 Ảnh hưởng của kích thước hạt mài 
Như kết quả ở hình 7, ảnh hưởng của kích thước 
hạt mài đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công cũng 
không đáng kể. Độ nhám bề mặt giảm xuống nhanh 
chóng ở giờ gia công đầu tiên. Sau đó, độ nhám hầu 
như không thay đổi khi thời gian gia công tăng lên. 
Độ nhám bề mặt đạt được sau 6 giờ gia công 
khoảng từ 28 nm đến 24 nm với kích thước hạt mài 
từ 3,5 µm đến 15 µm. Điều này cho thấy rằng, kích 
thước hạt mài ảnh hưởng không đáng kể đến độ 
nhám bề mặt. 
Hình 7. Quan hệ giữa kích thước hạt mài và độ nhám bề mặt 
5 KẾT LUẬN 
Dựa trên các kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng 
của tốc độ gia công, nồng độ dung dịch mài và kích 
thước hạt mài đến lượng vật liệu cắt gọt và độ 
nhám bề mặt, có thể rút ra một số kết luận như sau: 
 Tốc độ quay của đĩa mài có ảnh hưởng lớn đến 
độ nhám bề mặt. Tốc độ quay của đĩa mài càng 
tăng thì chất lượng bề mặt càng tốt. Với tốc độ 
quay của đĩa mài là 150 (vòng /phút) thì độ nhám 
bề mặt đạt được Ra = 23 nm. 
 Nồng độ dung dịch mài cũng là nhân tố quan 
trọng quyết định độ nhám bề mặt chi tiết gia công. 
Khi nồng độ dung dịch càng tăng thì chất lượng bề 
mặt sẽ tốt hơn. Tuy nhiên, nếu nồng độ dung dịch 
quá lớn thì ứng suất cắt lại không tăng theo và như 
vậy hiệu quả gia công không đạt yêu cầu. 
 Kích thước hạt mài hầu như không ảnh hưởng 
đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công. Độ nhám bề 
62 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
mặt giảm xuống nhanh chóng ở giờ gia công đầu 
tiên. Sau đó, độ nhám hầu như không thay đổi khi 
thời gian gia công tăng lên 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Zhang X, Kuhlenk Otter B, Kneupner K. An 
efficient method for solving the signorini 
problem in the simulation of freeform 
surfaces produced by belt grinding. Int. J. 
Mach. Tools Manuf., 2005; 641–648. 
[2]. Kim DW, Burge JH, Rigid conformal 
polishing tool using non-linear visco - 
elastic effect. Opt. Express 2010; 2242-2257 
[3]. Zeng SY, Blunt L. Experimental 
investigation and analytical modelling of the 
effects of process parameters on material 
removal rate for bonnet polishing of cobalt 
chrome alloy. Precision Engineering 2014; 
348–355 
[4]. Tsuwa H, Ikawa N, Mori Y. Numerically 
controlled elastic emission machine. CIRP 
Ann. – Manuf. Technol., 1979; 193-197 
[5]. Steigerwald JM, Murarka SP. Gutmann RJ. 
Chemical Mechanical Planarization of 
Microelectronic Materials. A Wiley – 
Interscience Publication John Wiley & Sons, 
Inc., NewYork, 1996. 
[6]. Watanabe J, Suzuki J, Kobayashi A, High 
precision polishing of semi-conductor 
materials using hydrodynamic principle. 
CIRP Ann. – Manuf. Technol., 1981; 91-95 
[7]. Tani Y, Kawata K, Nakayama K, 
Development of high - efficient fine finishing 
process using magnetic fluid. CIRP Ann. – 
Manuf. Technol., 1984; 217-220. 
[8]. Shorey AB, Kwong KM, Johnson KM, 
Jacobs SD, Nanoindentation hardness of 
particles used in magnetorheological 
finishing (MRF). Appl.Opt.,2000; 5194 -
5204 
[9]. Wagner NJ, Brady JF. Shear thickening in 
colloidal dispersions, Phys.Today., 2009; 
27–32. 
[10]. Li M, Lyu BH, Yuan JL, Dong CC, Dai W. 
Shear thickening polishing method. 
International Journal of Machine Tools & 
Manufacture 2015; 88–99. 
Nguyễn Đức Nam, nhận 
bằng đại học, thạc sĩ tại Đại 
học Sư phạm Kỹ thuật và 
bằng tiến sĩ (2012) tại đại 
học Hunna (China). Hiện tại 
tác giả là giảng viên Khoa Cơ 
khí, Trường Đại học Công 
nghiệp TP.HCM. Các hướng 
nghiên cứu của tác giả gia công chính xác và 
phương pháp số. 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
63 
Abstract—Traditionally, the curved surfaces 
are generated by a complicated machining 
process to achieve the required surface quality. 
To simplify this process, the abrasive will be 
mixed with the binder to become a polishing 
slurry. This slurry does not obey the Newton 
laws when it moves. This process will produce 
the shear stress for the slurry on the machining 
surface. Based on the non-Newton fluid, the 
curved surface will be machined by a simple 
machining process. In this paper, the effects of 
grinding speed, slurry concentration and 
abrasive size on the surface roughness are 
discussed. The experimental results show that 
the polishing speed has an obvious influence on 
surface finishing. With the increase of the 
polishing speed, the surface roughness reduces. 
In addition, the slurry concentration also affects 
the surface quality like the polishing speed. The 
abrasive size has a small effect on the surface 
finishing. The surface roughness of steel 
spherical workpiece Ø40 mm is reduced sharply 
from Ra = 130 nm to Ra = 23 nm after 
treatment. 
Keywords—non-Newton fluid, curved surface, 
polishing speed, slurry concentration, abrasive 
size, surface roughness. 
Study on the application of non-Newton fluid in 
curved surface polishing 
Duc Nam Nguyen