Luận văn Lựa chọn giải pháp công nghệ chế tạo, công nghệ bề mặt để nâng cao chất lượng các loại đầu ép đá cắt ba via cỡ nhỏ, cỡ vừa và cỡ lớn cho công ty cổ phần đá mài Hải Dương

Luận văn Lựa chọn giải pháp công nghệ chế tạo, công nghệ bề mặt để nâng cao chất lượng các loại đầu ép đá cắt ba via cỡ nhỏ, cỡ vừa và cỡ lớn cho Công ty cổ phần Đá mài Hải Dương Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 LỜI MỞ ĐẦU Đầu ép đá ba via là một là một dạng phụ tùng cơ khí thay thế thường xuyên trong quá trình sản xuất đá mài tại Công ty cổ phần đá mài Hải Dương. Đây là chi tiết làm nhiệm vụ của chầy ép ghép lỏng với khuôn ép đã có sẵn trên máy, làm việc trong điều kiện ma sát - mòn rất khốc liệt, lại yêu cầu độ chính xác tương quan rất chặt chẽ. Hiện nay đã có một số doanh nghiệp trong nước thiết kế chế tạo loại sản phẩm này, thử nghiệm tại công ty nhưng chưa thành công. Tỷ lệ phế phẩm do sai số tương quan còn cao, khả năng chịu mài mòn còn kém nên tuổi bền không đáp ứng yêu cầu. Hiện nay Công ty cổ phần đá mài Hải Dương phải chi một khoản ngoại tệ khá lớn cho việc nhập sản phẩm này làm phụ tùng thay thế trong quá trình sản xuất. Để chủ động sản suất, tiết kiệm chi phí, Công ty đã đặt hàng một số doanh nghiệp cơ khí trong nước chế tạo nhưng chất lượng còn thấp, chất lượng sản phẩm chưa ổn định. Bởi vậy việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu xác định các cơ chế mòn, nguyên nhân và biện pháp khắc phục; đồng thời lựa chọn giải pháp công nghệ chế tạo, công nghệ bề mặt để nâng cao chất lượng các loại đầu ép đá cắt ba via cỡ nhỏ, cỡ vừa và cỡ lớn cho Công ty cổ phần Đá mài Hải Dương” đã góp phần chủ động chế tạo phụ tùng thay thế, nâng cao chất lượng và giảm giá thành chi tiết đầu ép cho Công ty cổ phần đá mài Hải Dương. Trong quá trình làm luận văn, với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS. TS Vũ Quý Đạc - Trưởng Khoa Cơ khí Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tôi đã hoàn thành bản luận văn này. Mặc dù bản thân có rất nhiều cố gắng và đề tài thực hiện trong một thời gian ngắn, nên bản luận văn này không tránh khỏi những khiếm khuyết. Tôi rất mong được tiếp thu những ý kiến đóng góp phê bình của các thầy cô giáo, đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện hơn và khắc phục trong nghiên cứu tiếp theo. Nhân dịp này Tôi xin bầy tỏ lòng cám ơn sâu sắc đến thầy giáo: PGS.TS Vũ Quý Đạc, ThS Phạm Thành Long - Bộ môn Máy và Tự động hoá Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn để bản luận văn này đạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 được mục tiêu và hoàn thành đúng thời gian quy định. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Công ty cổ phần đá mài Hải Dương đã tận tình phối hợp, trao đổi, tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài này. Tôi xin trân trọng cám ơn. Đinh Xuân Ngọc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 MỤC LỤC Lời mở đầu ……………………………………………………………………... 3 Mục lục…………………………………………………………………………. 5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐÁ MÀI BA VIA TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN ĐÁ MÀI HẢI DƯƠNG....................................... 8 1.1. Tổng quan về quá trình sản xuất đá mài ba via…………………… 8 1.1.1. Tình hình sử dụng và sản xuất đá mài ba via……………… ……. 1.1.2. Cấu trúc cơ học vật liệu đá mài…………………………………… 1.1.3. Các bước sản xuất đá mài ba via………………………………….. 1.2. Đặc điểm lớp vật liệu tiếp xúc với bề mặt làm việc của đầu ép….. 12 1.3. Một số dạng mòn hỏng đầu ép…………………………………… 15 1.4. Một vài nét về sản xuất đầu ép đá ba via trong nước……............. 16 Chương 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ MÒN VÀ NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN MÒN BỀ MẶT LÀM VIỆC ĐẦU ÉP ĐÁ BA VIA………………….. 18 2.1. Mòn do dính………………………………………………............ 23 2.1.1. Hiện tượng………………………………………………………… 23 2.1.2. Cơ chế mòn……………………………………………………….. 23 2.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do dính………………………… 23 2.2. Mòn do cào xước…………………………………………………. 26 2.2.1. Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo……………………………. 26 2.2.2. Mòn do cào xước bằng nứt tách…………………………………... 30 2.3. Mòn hoá học……………………………………………………… 31 2.3.1. Hiện tượng………………………………………………………… 31 2.3.2. Cơ chế mòn……………………………………………………….. 31 2.2.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn hoá học………………………… 32 2.4. Mòn do mỏi……………………………………………………….. 32 2.4.1. Hiện tượng………………………………………………………… 32 2.4.2. Cơ chế mòn……………………………………………………….. 33 2.4.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do mỏi…………………………. 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 2.5. Mòn fretting………………………………………………………. 35 2.5.1. Hiện tượng………………………………………………………… 35 2.5.2. Cơ chế mòn fretting………………………………………………. 35 2.5.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn fretting…………………………. 36 2.6. Mòn do va chạm………………………………………………….. 36 2.6.1. Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion)…………………………. 36 2.6.2. Mòn do va chạm của các vật rắn…………………………………. 36 2.7. Đánh giá ảnh hưởng của các dạng hao mòn ở chi tiết đầu ép…… 38 Chương 3. MỘT SỐ GIẢI PHÁP CHỐNG MÀI MÒN ĐẦU ÉP…………. 40 3.1. Một số biện pháp kết cấu…………………………………………. 40 3.1.1. Nguyên tắc……………………………………………………....... 40 3.1.2. Chọn vật liệu chế tạo đầu ép……………………………………… 40 3.1.3. Phân tích kết cấu và tính công nghệ của đầu ép………………….. 45 3.2. Nhiệt luỵện chi tiết đầu ép………………………………………… 46 3.2.1. Yêu cầu chiều dầy lớp thấm tôi bề mặt đầu ép…………………… 46 3.2.2. Thời gian nung chi tiết đầu ép……………………………………. 46 3.2.3. Tôi chi tiết đầu ép………………………………………………… 48 3.3. Một giải pháp hỗ trợ tính ổn định khả năng làm việc của đầu ép… 50 3.4. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm tra bền và biến dạng của chi tiết đầu ép…………………………………………… 50 3.4.1. Giới thiệu phương pháp PTHH…………………………………… 50 3.4.2 Ứng dụng phần mềm Cosmos kiểm tra bền và biến dạng củe đầu ép….. 51 3.4.3 Một số kết luận và đề suất nghiên cứu chế tạo loại đầu ép cỡ lớn……… 52 Chương 4. LẬP QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT ĐẦU ÉP 66 4.1. Xác định dạng sản xuất…………………………………………… 66 4.1.1. Xác định sản lượng cơ khí hàng năm Ni…………………………. 66 4.1.2. Xác định dạng sản xuất…………………………………………… 66 4.2. Xác định phương pháp chế tạo phôi………………………………. 66 4.3 Chọn chuẩn……………………………………………………….. 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 4.3.1. Chọn chuẩn thô ………………………………………………...... 69 4.3.2. Chọn chuẩn tinh………………………………………………....... 69 4.4. Trình tự nguyên công…………………………………………….. 70 4.4.1. Phương án gia công trên máy công cụ truyền thống……………… 70 4.4.2. Phương án gia công trên máy CNC………………………………. 72 4.4.3. Chọn phương án gia công và xác định trình tự nguyên công…...... 73 4.5. Sơ đồ nguyên công……………………………………………...... 74 4.6. Tính toán lượng dư………………………………………………. 76 4.7. Xác định chế độ cắt cho các nguyên công………………………… 81 4.8. Tính giá thành chi tiết đầu ép……………………………………... 87 Chương 5. THỰC NGHIỆM ĐỀ TÀI……………………………………………… 89 5.1. Chế tạo đầu ép……………………………………………………. 89 5.2. Đưa mẫu vào sản xuất thử………………………………………… 89 5.3. Đánh giá kết quả và kết luận hướng phát triển của đề tài………… 89 Phụ lục 1, Phụ lục 2, Phụ lục 3, Phụ lục 4,………………………. 91 Tài liệu tham khảo………………………………………………… 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐÁ MÀI BA VIA VÀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐÁ MÀI TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN ĐÁ MÀI HẢI DƯƠNG 1.1. Tổng quan về quá trình sản xuất đá mài ba via. 1.1.1. Tình hình sử dụng và sản xuất đá mài ba via. Trong ngành cơ khí kết cấu và chế tạo, đá mài ba via thường được sử dụng để mài phá các chi tiết, hạn chế cháy và nóng gây thay đổi hình dạng, kích thước của kết cấu - chi tiết gia công, ngoài ra còn được sử dụng để mài thô, bán tinh, các loại vật liệu có độ bền cao như thép các bon, thép hợp kim (thép không gỉ), gang cầu, đồng vàng... Đá mài đá ba via ngày nay càng được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy, ngành sản xuất kết cấu thép, đóng tầu, ... Hiện nay nước ta mới sản xuất đáp ứng được 2,6 triệu sản phẩm/năm, đáp ứng được 47% nhu cầu thị trường tại Việt Nam, số còn lại nhập khẩu từ Hàn Quốc, Trung Quốc ... Để đáp ứng nhu cầu trong nước, năm 2002 Công ty CP đá mài Hải Dương đã nhập một dây truyền đồng bộ sản xuất loại sản phẩm này. Ngày nay, ngành sản xuất kết cấu thép, đóng tầu, ngành chế tạo máy đang phát triển, nhu cầu sử dụng đá mài ba via là rất lớn không những về số lượng, chủng loại mà còn là nhu cầu lớn đá mài có chất lượng cao. Việc đầu tư nhập khẩu những dây truyền sản xuất đá mài ba via hiện đại là cần thiết không những đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước mà còn hạ được giá thành đá. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất nảy sinh vần đề có một số phụ tùng phải thay thế thường xuyên và hiện nay Công ty phải chi một khoản ngoại tệ khá lớn cho việc nhập sản phẩm này. Hiện nay tại Công ty Cổ phần Đá mài Hải Dương, một đầu ép đá mài ba via cỡ f100 nhập khẩu từ Hàn Quốc ép được khoảng 11000 viên đá. Trong năm 2006 Công ty đã phải nhập khẩu 320 đầu ép của Hàn Quốc trị giá 21000USD (khoảng 65,5 USD ~ 1 050 000,đ/ 1 đầu ép). Các phụ tùng phải thay thế thường xuyên trong quá trình sản xuất đá mài ba via là chi tiết đầu ép và lõi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 1.1.2. Cấu trúc cơ học của vật liệu đá mài. Hình 1.4 giới thiệu thành phần, cấu trúc đá mài ba via, gồm: - A60+BF; A24+BF : Hỗn hợp hạt mài và chẩt kết dính. - Lưới thuỷ tinh. a. Hạt mài A: được ký hiệu theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB2476~83-83, A là ký hiệu loại hạt mài Corindon nâu (Brown fused Alumina). Đây là loại vật liệu kết tinh dạng AL2O3, trong đó có 89 ¸ 95% AL2O3, còn lại là các tạp chất có dạng Fe2O3, SiO2, TiO2 ..., độ cứng tế vi là 2100kG/mm2 đến 2350 kG/mm2. Đá mài dùng hạt mài Corindon nâu thường được dùng để mài thô, bán tinh, mài sắc các loại dụng cụ cắt và mài tinh các loại vật liệu có độ bền cao như thép các bon hợp kim (thép không gỉ), gang cầu, đồng vàng... trừ các loại thép cao tốc đã tôi, gang dẻo có tổ chức peclit, đồng thanh cứng. Hình 1.1. Đá mài ba via 100x6x16 do Công ty Cổ phần đá mài Hải Dương sản xuất + Độ hạt của hạt mài: là kích thước của hạt mài, ký hiệu 24, là loại hạt mài có kích thước hạt mài từ 0,63mm ¸ 0,8mm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 + Độ hạt của hạt nền: ký hiệu 60, hạt nền có kích thước hạt mài thường từ 0,25mm ¸ 0,315mm. Độ hạt của đá mài được biểu thị bằng kích thước thực tế của hạt mài. Tính năng cắt gọt của đá mài phụ thuộc vào kích thước hạt mài. Khi mài thô dùng loại hạt mài có kích thước lớn và ngược lại khi mài tinh dùng loại hạt mài có kích thước nhỏ. Với kích thước hạt mài 0,63mm ¸ 0,8mm thường được sử dụng để mài thô hoặc bán tinh các chi tiết máy. + Độ cứng của đá mài: Độ cứng của đá mài là khả năng chống lại sự bứt hạt mài ra khỏi bề mặt làm việc của đá dưới tác dụng của ngoại lực. Độ cứng của đá mài ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng của sản phẩm mài. Nếu chọn độ cứng không đúng, khả năng cắt gọt của đá bị hạn chế, nếu mềm quá thì mòn nhanh, hao phí đá nhiều, ngược lại nếu cứng quá dễ sinh ra cháy nứt ở bề mặt mài. Độ cứng của đá mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như phương pháp chế tạo (lực ép khi chế tạo đá mài, chế độ nung), mật độ của đá mài, kích thước hạt mài và thành phần chất dính kết quyết định. + Chất dính kết BF: là chất dính kết Bakelit – nhựa Fenol, bao gồm các thành phần sau: - Nhựa Fênol lỏng PF2550: 5% - Nhựa Fênol bột PF2893A: 18% - Chất độn Na3AlF6 : 6% Chất dính kết trong đá mài được dùng để giữ chặt hạt mài và chất độn trong dụng cụ. Chất độn tạo cho dụng cụ có cơ lý tính, tính công nghệ, yêu cầu sử dụng cần thiết. Chất dính kết ảnh hưởng đến phần nổi bề mặt làm việc của dụng cụ, độ mòn dụng cụ và độ nhám bề mặt gia công. Đá mài chất dính kết Bakelit có sức bền của trắc diện làm việc lớn, khi mài ít phát nhiệt, có độ bóng cao, lực mài lớn, tốc độ mài cao. Nhược điểm là không dùng nước làm nguội có tính kiềm hay axit, nếu sử dụng nước làm nguội có tính kiềm hay axit đá mòn nhanh và không để được lâu. + Mật độ của đá mài: là kết cấu bên trong của đá, tức là tỉ lệ giữa thể tích hạt mài với chất dính kết, khoảng trống (độ xốp). Mật độ của đá mài càng lớn thì khoảng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 cách giữa các hạt mài càng tăng. Vì vậy mật độ của đá mài càng lớn thì độ cứng đá mài càng lớn và ngược lại mật độ của đá mài càng bé thì độ cứng của đá mài càng nhỏ. + Lưới thuỷ tinh: giữa đá mài có lớp nhựa dạng sợi thuỷ tinh Phenol Fomandehit C6H5OH-(CH2- C6H5)n-CH2- C6H5OH, có tác dụng chống vỡ đá trong quá trình mài. 1.1.3. Các bước sản xuất đá mài ba via. QuÆng Broxit LuyÖn hå quang ®iÖn Lµm l¹nh Corindon côc NghiÒn vµ c¸n Sµng ph©n lo¹i Ng©m H2SO4 röa s¹ch SÊy H¹t mµi A24 H¹t nÒn A60 ChÊt dÝnh kÕt BF Hçn hîp A24 + BF Hçn hîp A24 + BF Khu«n Ðp Lø¬i thuû tinh Khu«n Ðp Khu«n Ðp B¹c lç 16 Nung Söa ®¸ KiÓm tra, d¸n m¸c, ®ãng gãi s¶n phÈm Hình 1.2. Sơ đồ quy trình sản xuất đá mài ba via Trên hình 1.2, mô tả quy trình sản xuất đá mài ba via từ khâu chế tạo hạt mài từ qụăng Boxit trong thiên nhiên. Quy trình sản xuất đá mài ba via được bắt đầu từ việc khai thác quặng Broxit tại mỏ Kinh Môn, quặng Broxit được đưa vào lò luyện hồ quang ở nhiệt độ 1450°C làm chảy quặng Boxit, sau đó làm lạnh, cho ra phôi Corindon cục. Corindon cục được nghiền nhỏ và phân cấp thành cỡ hạt của hạt nền và hạt mài và được sàng phân loại để được cỡ hạt đúng kích thước, sau đó rửa sạch bằng axit H2SO4 và nước, rồi sấy khô, được hạt Corindon nâu A24 và A60. Chất dính kết của đá mài ba via (có cả chất độn) là hỗn hợp nhựa Fênol lỏng PF2550 (5%), nhựa Fênol bột PF2893A (18%), và chất độn Nu3AlF6 (6%). Chất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 dính kết, chất độn và hạt mài (hoặc hạt nền) được trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất định, là phần trăm khối lượng của chất dính kết và hạt mài (hoặc hạt nền) trong đá mài, thu được các hỗn hợp hạt mài A24+BF và hỗn hợp hạt nền A60+BF. Sau đó các hỗn hợp hạt mài và hỗn hợp hạt nền được đưa nên máy ép đá mài ba via, để tự động thực hiện quá trình ép tạo biên dạng của viên đá. Quá trình ép tạo biên dạng viên đá mài ba via được thực hiện tự động trên máy ép đá mài ba via với trình tự như sau: + Hỗn hợp hạt nền A60+BF được tự động đưa vào khuôn ép với tỷ lệ 32% khối lượng của viên đá, được gạt phẳng đều sau đó cho lưới thuỷ tinh (nhựa Phenol Fomandehit C6H5OH-(CH2- C6H5)n-CH2- C6H5OH.) chống vỡ đá vào khuôn và thực hiện quá trình ép lần đầu với áp lực ép 5 kG/cm2. + Hỗn hợp hạt mài A24+BF được đưa vào khuôn ép với tỷ lệ 33% khối lượng của viên đá, được gạt phẳng đều sau đó cho lưới thuỷ tinh (nhựa Phenol Fomandehit C6H5OH-(CH2- C6H5)n-CH2- C6H5OH.) chống vỡ đá vào khuôn và thực hiện quá trình ép lần thứ hai với áp lực ép 7 kG/cm2. + Hỗn hợp hạt mài A24+BF được đưa vào khuôn ép với tỷ lệ 35% khối lượng của viên đá, gạt phẳng đều sau đó cho bạc lỗ f16 vào khuôn và thực hiện quá trình ép lần cuối, bằng đầu ép đá mài ba via để tạo biên dạng đá, với áp lực ép 80 kG/cm2. Đá mài sau khi ép được kiểm tra các kích thước hình học bề mặt, được ép chặt trong khuôn nung và được nung thiêu kết trong lò điện, sau đó sửa đá, kiểm tra các thông số như: kích thước hình học, độ xốp, độ cháy đá…, rồi được dán mác sản phẩm, sau đó đóng gói và nhập kho kết thúc quy trình sản xuất đá. 1.2. Đặc điểm lớp vật liệu tiếp xúc với bề mặt làm việc của đầu ép. Quan sát trên hình 1.3 ta có thể hình dung ra được vị trí làm việc, điều kiện làm việc của chi tiết đầu ép, lõi và khuôn ép. Đầu ép đá mài ba via được lắp với một piston thuỷ lực, đường kính 100 mm để thực hiện quá trình ép từ trên xuống nhằm tạo ra biên dạng của đá mài và biên dạng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 của lỗ lắp đá mài. Thực tế tại Công ty đá mài Hải Dương đầu ép đá mài ba via làm việc trong một số các điều kiện đặc thù sau: - Đầu ép làm việc trong phòng kín có lắp điều hoà duy trì nhiệt độ ở 27°C, môi trường không khí tự nhiên, có ôxy là thành phần hoá học chủ yếu gây ăn mòn hoá học. Không có dòng điện trên bề mặt đầu ép và không có các chất gây điện phân. - Áp lực lớn nhất tác dụng lên bề mặt của đầu ép là 80 kG/cm2. - Bề mặt làm việc của đầu ép tác dụng trực tiếp lên lớp giấy bóng ninol, hạt mài, chất dính kết, chất độn, do hạt mài đã trộn với hỗn hợp chất dính kết và chất độn xuyên thủng qua lớp giấy ninol, tiếp xúc với bề mặt chi tiết đầu ép. Hình1.3. Ảnh chụp điều kiện làm việc của đầu ép Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 - Lớp giấy ninol: được sản xuất từ một loại nhựa Pôlivinyl clorua PVC (-CH2-CHCl-)n . Đây là loại nhựa nhiệt dẻo, có tính ổn định hoá học tốt, bền với các axit loãng và kiềm nồng độ 20%. Lớp giấy bóng nilol này ở nhiệt độ bình thường không phản ứng hoá học với kim loại và các ôxit kim loại. Do đó nó không gây biến dạng, ăn mòn hoá học hoặc ăn mòn điện phân với bề mặt chi tiết đầu ép. - Chất dính kết Bakelit: thành phần gồm nhựa lỏng PF2550 5% và nhựa bột PF2893A 18%. Hai loại nhựa này đều thuộc loại nhựa Phenol Fomandehit được trùng ngưng từ Phenol C6H5OH và Fomandehit CH2O, có cấu trúc mạng không gian C6H5OH-(CH2- C6H5)n-CH2- C6H5OH. Đây là loại nhựa nhiệt dẻo, có tính ổn định hoá học tốt, bền với các axit loãng và kiềm nồng độ 20%. Nhựa Phenol Fomandehit ở nhiệt độ bình thường không phản ứng hoá học với kim loại và ôxit kim loại. Do đó nó không gây biến dạng, ăn mòn hoá học hoặc ăn mòn điện phân với bề mặt chi tiết đầu ép. Líp giÊy bãng §Çu Ðp Hçn hîp A60+BF Hçn hîp A24+BF Lø¬i thuû tinh P Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 Hình 1.4. Sơ đồ ép - cấu trúc đá mài ba via - Chất độn Na3AlF6 (6%): Đây là một loại quặng criolit, tồn tại trong tự nhiên không cần điều chế, nóng chảy ở nhiệt độ 8000C. Ở nhiệt độ bình thường nó trơ về mặt hoá học, nó có độ cứng nhỏ. Trong đá mài, chất độn Na3AlF6 được sử dụng để hạ nhiệt độ nóng chảy trên bề mặt tế vi của hạt Corindun, làm cho trong quá trình mài các ôxit nhôm bật ra và điền đầy vào các vết xước trên bề mặt mài. - Hạt mài Corindun nâu (Brown fused Alumina). Đây là loại vật liệu kết tinh dạng AL2O3, trong đó có 95% AL2O3-a, còn lại là các tạp chất có dạng Fe2O3, SiO2, TiO2 ..., hạt mài có kích thước hạt nhỏ 0,63mm, và có độ cứng rất cao 2350kG/mm2. AL2O3-a là những tinh thể bao gồm những ion O2- gói ghém sít sao kiểu lục phương, trong đó hai phần ba lỗ trống bát diện được ion AL3+ chiếm. Nó không có màu và không tan trong nước. Nó tồn tại trong thiên nhiên dưới dạng khoáng vật Corindun, vì thường chứa tạp chất Fe2O3, SiO2, TiO2 ..., nên Corindun có màu đục hoặc màu bẩn. Corindun nóng chảy ở 20720C, sôi ở 35000C. ở nhiệt độ thường Corindun rất trơ về mặt hoá học, nó không tan trong nước, dung dịch axit và dung dịch kiềm. Các hạt Corindun vỡ ra theo các mặt trượt của mạng tinh thể, chủ yếu tạo thành các mảnh vỡ hình lục phương với các góc giữa các mặt lớn hơn hoặc bằng 600. 1.3. Một số dạng mòn hỏng đầu ép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Hình1.5. Ảnh chụp dạng hỏng bề mặt đầu ép đá mài ba via Hình 1.6 - Ảnh chụp (mặt cắt ngang rãnh đồng tâm) bề mặt làm việc của đầu ép mòn tỷ lệ 1:50 Từ điều kiện làm việc của đầu ép ta có thể thấy, nguyên nhân chủ yếu gây hỏng đầu ép là do các cạnh sắc của hạt mài với áp lực lớn tác dụng trực tiếp lên bề mặt đầu ép, gây biến dạng dẻo bề mặt. Sau nhiều lần ép, sẽ gây ra quá trình dồn ép vật liệu tạo ra các mảnh mòn tách rời bề mặt đầu ép do cơ chế dính, cào xước hoặc nứt tách. Ngoài ra đầu ép có thể bị mòn do ô xy trong môi trường tự nhiên tiếp xúc với bề mặt của đầu ép gây ăn mòn hoá học. Do vậy, để nghiên cứu chế tạo, nâng cao chất lượng và tuổi thọ của đầu ép, cần phải ứng dụng lý thuyết về ma sát và mòn trong điều kiện làm việc của đầu ép, nhằm xác định nguyên nhân các dạng hỏng của đầu ép để đưa ra một quy trình công nghệ chế tạo hợp lý, kết hợp với các biện pháp công nghệ bề mặt là rất cần thiết. Nhằm nâng cao độ tin cậy, tuổi thọ và giá thành chế tạo đầu ép cho Công ty cổ phần đá mài Hải Dương. 1.4. Một vài nét về sản xuất đầu ép đá ba via trong nước. Đầu ép đá ba via là một là một dạng phụ tùng cơ khí thay thế thường xuyên trong quá trình sản xuất đá mài. Đây là chi tiết làm nhiệm vụ của chầy ép ghép lỏng với khuôn ép đã có sẵn trên máy, làm việc trong điều kiện ma sát - mòn rất khốc liệt, lại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 yêu cầu độ chính xác tương quan rất chặt chẽ. So với chi tiết lõi, đầu ép đá ba via cần số lượng thay thế tương đương nhưng chi tiết đầu ép chế tạo phức tạp hơn nhiều và giá trị của nó cũng lớn hơn nhiều so với chi tiết lõi. Hiện nay công ty phải chi một khoản ngoại tệ khá lớn cho việc nhập sản phẩm này. Để chủ động sản suất, tiếp kiệm chi phí, công ty đã đặt hàng một số doanh nghiệp cơ khí trong nước chế tạo nhưng chất lượng còn thấp, chất lượng sản phẩm chưa ổn định. Hiện nay đã có một số doanh nghiệp trong nước thiết kế chế tạo loại sản phẩm này, thử nghiệm tại Công ty nhưng chưa thành công. Tỷ lệ phế phẩm do sai số tương quan còn cao, khả năng chịu mài mòn còn kém nên tuổi bền không đáp ứng yêu cầu. Một số doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ tại Hưng Yên, Hải Dương, Thái Nguyên đã nghiên cứu chế tạo nhưng chất lượng bề mặt, tuổi thọ vẫn chưa đáp ứng yêu cầu, chưa có nghiên cứu một cách tổng thể về những vấn đề ma sát-mòn vật liệu, quy trình công nghệ chế tạo còn có những hạn chế. Ở những nước trong khu vực có công nghiệp phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc, Nhật bản... việc sản xuất các loại đầu ép đá ba via cung cấp cho dây truyền sản xuất đá mài được chế tạo tương đối hoàn chỉnh, nhưng giá thành rất cao, lại sản xuất hàng khối nên các công ty của nước ta đặt hàng tương đối khó khăn, ảnh hưởng đến tiến độ sản xuất và khả năng cạnh tranh của nhà máy. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo những sản phẩm phụ tùng thay thế cho việc sản xuất đá mài ba via là rất cần thiết mang ý nghĩa thực tiễn, trong luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu những vấn đề ma sát – mòn vật liệu, đề xuất quy trình chế tạo chi tiết đầu ép thích hợp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ MÒN VÀ NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN MÒN BỀ MẶT LÀM VIỆC ĐẦU ÉP ĐÁ CẮT BA VIA Đặt vấn đề. Khi nghiên cứu quy trình sản xuất đá mài ta thấy trong quá trình làm việc đầu ép luôn tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp hạt mài dưới một áp lực lớn. Như ta đã biết, hạt mài và hạt nền Corindun nâu thành phần chính là Al2O3 có độ cứng rất cao, có hình dạng hình lục phương với góc giữa các mặt lớn hơn hoặc bằng 600. Hạt mài có kích thước từ 0,63 đến 0,8 mm, hạt nền có kích thước từ 0,25 đến 0,31mm. Cấu tạo bề mặt làm việc của đầu ép có dạng hình vành khăn, trên bề mặt làm việc có các rãnh đồng tâm (hình 2.1) Như vậy, khi đầu ép tiếp xúc với hỗn hợp hạt mài để thực hiện quá trình ép đá, khi đó hạt mài, hạt nền cùng với chất kết dính tự xắp xếp theo một trật tự chặt nhất, đồng thời với quá trình ấy các hạt mài dịch chuyển (dịch chuyển tương đối) so với mặt đầu đĩa ép, nó gây ra mòn đầu ép làm cho các rãnh đồng tâm không còn đảm bảo hình dạng, viên đá được ép ra không đảm bảo kích thước yêu cầu và khi sai số vượt quá giới hạn cho phép, đầu ép sẽ không sử dụng được. Với đầu ép, độ mòn cho phép là 0,2 mm. Thật vậy, ảnh chụp đầu ép bị mòn ta thấy trên bề mặt có rất nhiều vết xước, vết mòn, xem ảnh (hình 2.2 và hình 2.3). Để khắc phục hạn chế được mòn đối với đầu ép, cần đưa ra một quy trình chế tạo phù hợp nhằm nâng cao tuổi bền cho đầu ép, ta cần nghiên cứu kỹ cơ chế mòn và các nhân tố ảnh hưởng tới mòn đầu ép từ đó đưa ra giải pháp chế tạo phù hợp. Lý thuyết về ma sát - mòn cho thấy, có nhiều dạng mòn như: Mòn do dính, mòn do cào xước, mòn hoá học, …Ở đây ta vận dụng lý thuyết ma sát - mòn vào từng dạng mòn cụ thể để phân tích cơ chế mòn và các yếu tố ảnh hưởng gây mòn với đầu ép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 H äc V iª n § in h Xu ©n N gä c H D KH S® Sl g TS .V ò Q § ¹c Sè tµ i l iÖ u Tr õ¬ ng § ¹i H äc K ü Th uË t C «n g N gh iÖ p Th ¸i N gu yª n Sè l• în g Tê s è : 0 1 § Çu Ð p § ¸ m µi b a vi a C h÷ k ý N gµ y ? X1 5 Tû lÖ 1: 1 Lí p C ao h äc K 8- C N C TM Tr õ¬ ng § ¹i H äc K ü Th uË t C «n g N gh iÖ p Kh èi l• în g 1, 2 kg Sè tê : 01 D D Ñ Ñ yª u c Çu k ü th u Ët 1. § é bã ng c ¸c b Ò m Æt c ßn l¹ i: Ñ 6 2. § é ®¶ o c¸ c m Æt A , B v íi ® õ¬ ng t© m c hi ti Õt £ 0 ,0 3 3. § é kh «n g ®å ng t© m g i÷ a c¸ c bÒ m Æt 80 -0 ,0 2 -0 ,0 4, 10 0- 0, 12 -0 ,1 5 vµ 16 ,1 +0 ,0 8 +0 ,0 6 £ 0 ,0 5 3. § é c« n vµ ® é « va n cñ a c¸ c bÒ m Æt 80 -0 ,0 2 -0 ,0 4, 10 0- 0, 12 -0 ,1 5 vµ 16 ,1 +0 ,0 8 +0 ,0 6 £ 0 ,0 5 4. N hi Öt lu yÖ n, th Êm c ¸c b on b Ò m Æt r¨ ng ® ¹t ® é cø ng : H R C 6 0 ¸ 62 ch iÒ u s© u lí p th Êm k h« ng n há h ¬n 0 ,3 m m Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 Hình 2.1. Bản vẽ chi tiết đầu ép Hình 2.2. Ảnh chụp dạng hỏng bề mặt đầu ép đá mài ba via Hình 2.3. Ảnh chụp bề mặt làm việc của đầu ép mòn tỷ lệ 1:50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Hình 2.4a. Tổ chức tế vi của lớp vật liệu trên bề mặt trụ của đầu ép ở mặt cắt ngang tỷ lệ 1:200 Hình 2.4b.Tổ chức tế vi của lớp vật liệu trên bề mặt trụ của đầu ép ở mặt cắt ngang tỷ lệ 1:500 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Hình 2.5a.Tổ chức tế vi của lớp vật liệu trên bề mặt làm việc của đầu ép ở mặt cắt ngang tỷ lệ 1:200 Hình 2.5b.Tổ chức tế vi của lớp vật liệu trên bề mặt làm việc của đầu ép ở mặt cắt ngang tỷ lệ 1:500 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 2.1. Mòn do dính. 2.1.1. Hiện tượng. Xét hiện tượng mòn gây ra khi hạt mài tiếp xúc với đầu ép như hình vẽ (hình 2.6). Khi đầu ép chuyển động thực hiện ép hỗn hợp hạt mài, các hạt mài chuyển động (chuyển động tương đối so với đầu ép) để xếp xít lại với nhau tạo nên cấu trúc viên đá. Và như vậy, giữa bề mặt đầu ép với hạt mài có sự trượt tương đối với nhau. Đặc biệt là sự trượt diễn ra mạnh trên hai mặt nghiêng 2 của rãnh của đầu ép. 1 2 3 Hình 2.6. Chuyển động hạt mài trên bề mặt làm việc của đầu ép 2.1.2. Cơ chế mòn. Lý thuyết ma sát mòn đã chỉ ra: Khi hai bề mặt rắn phẳng trượt so với nhau. Dính xảy ra tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến, khi sự trượt xảy ra vậy liệu ở vùng này bị trượt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời. Một số mảnh mòn còn được sinh ra do quá trình mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô. Thật vậy, khi đầu ép tiếp xúc với hỗn hợp hạt mài, có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các mặt, cạnh của hạt mài với bề mặt đầu ép và giữa chúng có sự trượt tương đối với nhau. Vì vậy, mòn dính sẽ xảy ra đối với chi tiết đầu ép. Quá trình mòn sẽ diễn ra sau mỗi chu kỳ thực hiện ép đá. 2.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do dính. Theo định luật mòn dính của Archard: 03p WkQ = (2.1) Trong đó: Q: thể tích vật liệu mòn, k: hệ số xác xuất một tiếp xúc tạo nên một hạt mài, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 W: tải trọng pháp tuyến tổng, p0: giới hạn chảy của vật liệu. Với định luật Archard ta có kết luận: - Thể tích vật liệu mòn của đầu ép tỷ lệ thuận với quãng đường trượt. - Thể tích vật liệu mòn của đầu ép tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến. - Thể tích vật liệu mòn của đầu ép tỷ lệ nghịch với giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu đầu ép. Theo thuyết mòn dính của Rowe: Rowe đã bổ xung lý thuyết mòn của Archard, có kể đến tác dụng của lớp màng bề mặt (surface films). Ak p WkQ ' 3 0 == (2.2) () () Thể tích của mòn dính liên quan đến diện tích tiếp xúc trực tiếp Am. Q = km.Am Km là một hằng số cho kim loại trượt và độc lập với các tính chất của chất bôi trơn hay của lớp màng bề mặt. Đặt A Am=b là tỉ số giữa diện tích tiếp xúc trực tiếp khi có lớp bôi trơn. 0p WkAkQ mm bb == (2.3) Theo Rowe, giá trị thích hợp cho giới hạn chảy p (pháp) là giá trị tính đến sự kết hợp giữa ứng suất pháp và tiếp chứ không phải chỉ riêng do tải trọng pháp tuyến tĩnh gây ra p0. p2 + as2 = p02. Do s = mp (m là hệ số ma sát) nên ( ) 2/12 0 1 ma pp + = Từ công thức này ta thấy: Khi kể đến lớp màng bề mặt thì giới hạn chảy của vật liệu chi tiết đầu ép cần chọn sẽ nhỏ hơn trong điều kiện không có lớp màng bề mặt. Tổng hợp từ kết quả nghiên cứu của Archard và Rowe ta có thể đưa ra nhân tố ảnh hưởng đến mòn dính đầu ép như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 - Thể tích vật liệu đầu ép mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến. - Thể tích vật liệu đầu ép mòn tỷ lệ nghịch với giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu đầu ép. - Nếu tạo được lớp màng bề mặt hợp lý thì sẽ giảm được hệ số ma sát, giảm hiện tượng mòn do dính của bề mặt đầu ép. Trong điều kiện sản xuất đá mài ba via được sản xuất trên máy ép với độ chính xác cao, tải trọng pháp tuyến (lực ép) được coi là hằng số. Vậy để khắc phục và hạn chế hiện tượng hỏng bề mặt đầu ép do mòn dính ta cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Đảm bảo giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu đầu ép. - Tạo độ bóng và lớp màng bề mặt hợp lý nhằm giảm ma sát trên bề mặt chi tiết đầu ép giữa hạt mài với bề mặt đầu ép. Xác định giới hạn chảy của vật liệu đầu ép theo cơ chế mòn dính đảm bảo điều kiện bền mòn: Để ép được 11000 viên đá mài bằng số lượng của đầu ép Hàn Quốc thì lượng mòn Q được tính theo công thức: 11000. 3 0p WkQ = Vậy giới hạn chảy tối thiểu của vật liệu chi tiết đầu ép sẽ là: 11000. 30 Q Wkp = Trong đó: + Chọn k với giá trị lớn nhất: k = 0,05, + W là tải trọng pháp tuyến tổng: ( )¦W= . R-r eppp , kG Với: R là bán kính của đầu ép (R = 50mm). r là bán kính của lỗ lắp đầu ép ( r = 8mm). pep là áp lực ép đá lớn nhất: (pep = 80kG/cm2 = 0,8kG/mm2) + Q: là tổng thể tích mòn trên một khoảng trượt cho phép là độ mòn cho phép của chi tiết đầu ép là 0,2mm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 ( ) 222 mmrRQ -= p Vậy giới hạn chảy của chi tiết đầu ép sẽ là: ( ) ( ) 2 2 0 2 2 . . 0,8. .11000 0,05. .11000 147 33. . epR r pp k R r p p - = = = - ,kG/mm2 PO = 147 kG/mm2 2.2. Mòn do cào xước. Mòn do cào xước của chi tiết đầu ép xảy ra khi các cạnh sắc của hạt mài trượt trên bề mặt chi tiết đầu ép và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách. Trong trường hợp chi tiết đầu ép là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao (kim loại và hợp kim), các hạt mài sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu chi tiết đầu ép trong cả trường hợp tải nhẹ nhất. Trong trường hợp vật liệu dòn có độ dai va đập thấp, mòn xảy ra do nứt tách khi đó trên vùng mòn nứt tách là biểu hiện chủ yếu. 2.2.1. Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo. 2.2.1.1. Hiện tượng. Xét hiện tượng mòn gây ra do hạt mài tiếp xúc với đầu ép như hình vẽ (hình 2.4) Khi đầu ép chuyển động thực hiện ép hỗn hợp hạt mài, các hạt mài chuyển động để xắp xếp xít lại với nhau. Trong quá trình ấy xảy ra các cạnh sắc của hạt mài trượt trên bề mặt đầu ép gây ra phá huỷ bề mặt đầu ép bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách. Thật vậy, khi quan sát bề mặt đầu ép mòn có rất nhiều vùng mòn có vết xước. 2.2.1.2. Cơ chế mòn. Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ biến dạng bao gồm cày (plowing), dồn ép vật liệu (wedge formation) và cắt. Challen và Oxley đã phân tích ba chế độ biến dạng phân biệt trên của mòn do cào xước sử dụng vùng đường trượt gây ra bởi một nhấp nhô bề mặt lý tưởng. Theo phân tích này, vật liệu giả thiết là tuyệt đối dẻo và các đỉnh nhấp nhô chỉ chịu biến dạng phẳng. Cày: là hiện tượng tạo rãnh do hạt cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo đối với vật liệu mềm hơn. Trong quá trình cày, vật liệu bị biến dạng và bị dồn sang hai bên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 của rãnh mà không bị tách ra. Tuy nhiên sau nhiều lần như thế phần vật liệu này có thể bị tách ra bởi cơ chế mỏi chu kỳ thấp. Quá trình cày cũng gây nên biến dạng dẻo của các lớp dưới bề mặt và có thể góp phần vào sự hình thành mầm các vết nứt tế vi. Quá trình chịu tải và bỏ tải liên tuc (mỏi chu kỳ thấp và ứng suất cao) làm các vết nứt tế vi song song với bề mặt, phát triển, lan truyền, liên kết với nhau tạo thành các mảnh mòn mỏng. Trong trường hợp vật liệu rất mềm như indium và chì, khối lượng mòn sinh ra rất nhỏ và vật liệu bị biến dạng sẽ dịch chuyển sang hai bên của rãnh. Dồn ép vật liệu: Sự hình thành lượng vật liệu dồn ép ở phía trước của hạt cứng là một dạng mòn do cào xước. Một hạt cứng khi chà sát trên bề mặt sẽ tạo nên một rãnh và một lượng vật liệu bị dồn ép ở phía trước nó. Điều này thường xảy ra khi tỷ số giữa sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc với sức bền cắt của hạt cứng cao (0,5¸1). Khi đó chỉ một phần vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh, còn phần lớn sẽ dồn ép về phía trước của hạt cứng tạo nên hiện tượng này. Cắt: Dạng cắt của mòn do cào xước xảy ra khi hạt cứng với góc tiếp xúc lớn di chuyển tạo nên rãnh và tách vật liệu ra khỏi rãnh dưới dạng mảnh mòn có dạng giống như phoi dây hoặc vụn. Quá trình này xảy ra chủ yếu là do cắt còn lượng vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh là rất nhỏ. 2.2.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo. Theo lý thuyết ma sát - mòn: Tổng thể tích vật liệu đầu ép bị dịch chuyển bởi tất cả các nhấp nhô là: ( )2W. tbx tgv H q p = (2.4) Trong đó: W: lực ép, x: khoảng trượt của mỗi lần ép, (tgq)tb : giá trị trung bình của tất cả các nhấp nhô hình nón gọi là yếu tố độ nhám, H: độ cứng của bề mặt đầu ép, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 Theo Hokkirigawa và Kato đã phát triển và đưa ra một công thức tính thể tích mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo tương tự như phương trình của Archard cho mòn dính thoả mãn một dải rộng của mòn do cào xước là: H xWkv abr . = (2.5) Trong đó: Kabr là hệ số mòn bao hàm cả tính chất hình học của các nhấp nhô, và xác xuất cắt của các nhấp nhô chứ không phải chỉ có xác xuất cày. Vì vậy, độ nhám ảnh hưởng đến thể tích rõ ràng. Giá trị của kabr thay đổi trong dải từ 0,00001 đến 0,05, chọn kabr = 0,05 là giá trị lớn nhất. Từ cơ chế và phương trình định lượng trên ta có thể rút ra được các nhân tố mòn chi tiết đầu ép như sau: - Thể tích vật liệu đầu ép mòn tỷ lệ thuận với quãng đường trượt. - Thể tích vật liệu đầu ép mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến. - Thể tích vật liệu đầu ép mòn tỷ lệ nghịch với giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu chi tiết đầu ép đá mài. - Thể tích vật liệu đầu ép mòn tỷ lệ nghịch với tính chất hình học của các nhấp nhô. - Thể tích vật liệu đầu ép mòn phụ thuộc vào sự tạo các hạt mài mới sắc làm tăng tốc độ mòn. Với điều kiện đá mài ba via được sản xuất trên máy ép chuyên dùng, với độ chính xác cao, nên có thể coi tải trọng pháp tuyến (lực ép) là không đổi. Mặt khác hình dạng của các hạt mài rất phức tạp, sự tạo mới các hạt mài mới sắc và quãng đường trượt của hạt mài trên bề mặt đầu ép là không khắc phục được. Vậy để khắc phục và hạn chế hiện tượng hỏng bề mặt đầu ép do mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo ta chỉ đi nghiên cứu đảm bảo các yêu cầu sau: - Độ cứng của vật liệu đầu ép. - Tăng độ bóng, làm giảm các nhấp nhô trên bề mặt chi tiết đầu ép. Xác định độ cứng của chi tiết đầu ép đảm bảo điều kiện mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 Để ép được 11000 viên đá mài bằng số lượng của đầu ép Hàn Quốc thì thể tích vật liệu bị mòn được tính theo công thức: ( ) 11000..2 H tgxW v tb p q = Vậy độ cứng của chi tiết đầu ép sẽ là: ( ) 11000. . .2 v tgxW H tb p q = Trong đó: + (tgq)tb là giá trị trung bình của tất cả các nhấp nhô hình nón gọi là yếu tố độ nhám. Vì hạt mài Corindon có mạng tinh thể lập phương, do đó giá trị trung bình của các góc sắc của hạt mài là 900 do vậy ta có: qtb = 450. + x: là khoảng trượt của một lần ép, lấy bằng độ nhám cho phép của bề mặt đầu ép đá mài với độ bóng Rz = 6,3; x = 0,0063mm. + W là lực ép: ( )¦W= . R-r eppp , kG Với: R là bán kính của đầu ép (R = 50mm). r là bán kính của lỗ lắp đầu ép (r = 8mm). pep là áp lực ép đá lớn nhất: (pep = 80kG/cm2 = 0,8kG/mm2) + v: là thể tích mòn cho phép của bề mặt chi tiết đầu ép đá mài. ( ) 222 . mmhrRv -= p Với: R là bán kính ngoài của đầu ép (R = 50 mm), r là bán kính lỗ lắp đầu ép (r = 8mm) h là độ mòn cho phép của chi tiết đầu ép đá mài: h = 0,2 Vậy độ cứng tối thiểucủa chi tiết đầu ép đảm bảo điều kiện mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo sẽ là: ( ) ( ) ( )( ) 2 2 2 2 2. . .2. . . .11000 .11000. . . . ep tbtb R r p tgW x tg H v R r h p qq p p - = = - 2.0,8.0,0063.1.11000 554, 0,2 H kG= = /mm2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 Độ cứng tối thiểu của chi tiết đầu ép theo Archard: ( ) ( ) 2 2 2 2 . . .11000 0,05.0,8.11000 440 . ep abr R r p H k kG R r p p - = = = - /mm2 Độ cứng tối thiểu: H = 440kG/mm2 2.2.2. Mòn do cào xước bằng nứt tách. 2.2.2.1. Hiện tượng. Khi một hạt cứng sắc của vật liệu hạt mài trượt trên mặt phẳng của đầu ép một vật rắn dòn. Khi tải trọng pháp tuyến còn nhỏ, hạt cứng sắc (hạt mài) sẽ chỉ gây ra biến dạng dẻo trên mặt vật rắn và mòn xảy ra do biến dạng dẻo. Khi tải trọng pháp tuyến vượt quá một giá trị nào đó, mòn do nứt ngang làm tăng đột ngột tốc độ mòn. 2.2.2.2. Cơ chế mòn. Các vết nứt ngang phát triển từ ứng suất dư gây ra khi vật liệu bị biến dạng. Chiều dài lớn nhất của vết nứt vì thế chỉ được phát hiện khi hạt cứng rút ra khỏi bề mặt. Khi hạt cứng trượt trên bề mặt, các vết nứt ngang sẽ phát triển lên phía trên tới bề mặt từ vùng dưới bề mặt bị biến dạng. Các mảnh mòn được tách ra dưới dạng các mảnh đa diện từ vùng giới hạn bởi các đường nứt ngang tới bề mặt trượt. 2.2.2.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do cào xước bằng nứt tách. Từ các phân tích trên ta rút ra được các quy luật của mòn do cào xước bằng nứt tách của chi tiết đầu ép đá mài như sau: - Đầu ép đá mài bị biến dạng dẻo trước rồi mới bị mòn do cào xước bằng nứt tách. - Thể tích vật liệu đầu ép mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến. - Thể tích vật liệu đầu ép mòn tỷ lệ nghịch với độ cứng Kc1/2 và độ dai va đập H5/8 của vật liệu chi tiết đầu ép đá mài. Với điều kiện đá mài ba via được sản xuất trên máy tự động, chuyên dùng với độ chính xác cao, nên có thể coi tải trọng pháp tuyến (lực ép) là hằng số. Vậy để khắc phục và hạn chế hiện mòn hỏng bề mặt đầu ép do mòn do cào xước bằng nứt tách ta chỉ cần đảm bảo các yêu cầu sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 - Giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu đầu ép. - Tăng độ bóng, làm giảm các nhấp nhô trên bề mặt chi tiết đầu ép. - Ưu tiên tăng độ cứng bề mặt của chi tiết đầu ép nhưng không nên cao quá, mà phải đảm bảo độ dẻo, độ dai va đập dưới vùng biến dạng của bề mặt chi tiết đầu ép. 2.3. Mòn hoá học. 2.3.1. Hiện tượng. Trong quá trình làm việc chi tiết đầu ép luôn bị mòn do dính và do cào xước, kim loại vừa bị mòn tác dụng với ô xy của không khí tạo nên lớp oxit. Lớp oxit liên tục hình thành và liên tục bị mất đi sau mỗi lần ép và như vậy gây mòn vật liệu đầu ép. 2.3.2. Cơ chế mòn. Chi tiết đầu ép có thể bị ăn mòn hoá học xảy ra do sự tương tác hoá học hoặc điện hoá của bề mặt chi tiết với môi trường. Mòn hoá học xảy ra trong môi trường ăn mòn, nhiệt độ và độ ẩm cao. Mòn điện hoá xảy ra khi phản ứng hoá học đi kèm theo với tác dụng của dòng điện xảy ra trong quá trình điện phân. Với điều kiện chi tiết đầu ép làm việc trong môi trường tự nhiên, không có dòng điện, do vậy chi tiết đầu ép chủ yếu bị mòn do ăn mòn hoá học. Mòn hoá học xảy ra khi bề mặt của chi tiết đầu ép trong môi trường không khí, nguyên tố có hoạt tính hoá học nhất là ô xy, do đó mòn hoá học chủ yếu của chi tiết đầu ép là mòn do ô xy hoá. Sắt nguyên chất sẽ phản ứng với ôxy tạo thành các ôxit sắt. Khi các bề mặt đối tiếp (bề mặt làm việc của chi tiết đầu ép) không có chuyển động tương đối, sản phẩm ăn mòn hoá học trên bề mặt chi tiết đầu ép là lớp màng bề mặt có chiều dày nhỏ hơn 1mm có xu hướng cản trở hoặc ngăn quá trình ăn mòn tiếp tục phát triển. Nhưng khi thực hiện quá trình ép, bề mặt làm việc của đầu ép sẽ tiếp xúc với các hạt mài, lớp màng do ăn mòn hoá học bị cuốn đi vì thế các phản ứng hoá học lại tiếp tục xảy ra. Vì vậy cần hai điều kiện cả phản ứng hoá học và chuyển động trượt tương đối để làm vỡ lớp màng hoá học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 Vì ăn mòn hoá học là nguyên nhân chính của mòn bề mặt chi tiết đầu ép, một tương tác phức tạp giữa cơ chế mòn khác nhau luôn tồn tại trên bề mặt chi tiết đầu ép. Đầu tiên mòn có thể là do dính hoặc do cào xước sau đó là sự kết hợp của mòn hoá học và mòn do cào xước. Ứng suất tiếp xúc cao có thể làm tăng mòn cục bộ dẫn đến sự tạo thành các lỗ châm kim trên bề mặt. Ứng suất dư trong lòng kim loại có thể gây ra nứt do kết hợp với sự ăn mòn trong môi trường hoạt tính cao. Hiện tượng này kết hợp với sự trượt bề mặt có thể gây ra mòn mạnh giống như sự ăn mòn của một pha trong hợp kim ổ hai pha. 2.3.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn hoá học. Như ta biết, đầu ép làm việc trong phòng kín có lắp điều hoà duy trì nhiệt độ ở 27°C, môi trường không khí tự nhiên, chỉ có ôxy là thành phần hoá học chủ yếu gây ăn mòn hoá học. Không có dòng điện trên bề mặt đầu ép và không có các chất gây điện phân. Với chi tiết đầu ép, mòn hoá học không phải là nguyên nhân chính gây mòn vật liệu chi tiết, do đó hiện tượng ăn mòn hoá học có lợi cho việc chống mòn chi tiết đầu ép, vì lớp màng ô xy hoá và các sản phẩm của sự ăn mòn có thể ngăn cản dính giữa đỉnh các nhấp nhô và giảm mòn kim loại. Tuy nhiên để giảm cường độ hao mòn ô xy hoá ta nên chọn vật liệu chi tiết đầu ép có các thành phần hợp kim chống ăn mòn ô xy hoá, tạo lớp màng ma sát polymer, đánh bóng bề mặt không gây nứt tách. 2.4. Mòn do mỏi. 2.4.1. Hiện tượng. Mỏi xuất hiện dưới và trên bề mặt xảy ra tương ứng với tiếp xúc lăn và trượt theo chu kỳ. Sự đặt và nhấc tải theo chu kỳ của đầu ép có thể là nguyên nhân gây ra các vết nứt dưới hoặc trên bề mặt đầu ép. Sau một số chu kỳ giới hạn, các vết nứt sẽ phát triển tới bề mặt, tạo nên các mảnh mòn lớn làm cho bề mặt bị rỗ. Khác với mòn do dính hoặc cào xước, khối lượng vật liệu mòn do mỏi không phải là thông số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 có ý nghĩa để đánh giá mòn, mà là số chu kỳ hay thời gian làm việc của chi tiết trước khi mỏi xảy ra. Thật vậy, khi đầu ép làm việc, các hạt mài lăn và trượt tương đối trên mặt đầu ép dưới một áp lực lớn, đồng thời quá trình làm việc của đầu ép lại theo chu kỳ lặp lại và như vậy đồng nghĩa với việc đặt và nhấc tải theo chu kỳ. 2.4.2. Cơ chế mòn. 2.4.2.1. Cơ chế mòn do mỏi tiếp xúc lăn không trượt. Mòn do dính hoặc cào xước xảy ra do sự tiếp xúc lý học trực tiếp giữa bề mặt hạt mài với bề mặt đầu ép chuyển động tương đối với nhau. Nếu hai bề mặt bị phân tách bởi một lớp màng bôi trơn (không có hạt cứng rời trong vùng tiếp xúc) mòn không xảy ra. Tuy nhiên, trên mặt tiếp xúc chung ứng suất tiếp xúc rất lớn, khi đó mặc dù không xảy ra sự tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt đối tiếp vẫn chịu ứng suất lớn được truyền qua màng bôi trơn trong chuyển động lăn. Theo phân tích ứng suất đàn hồi của Hec, ứng suất nén cực đại xảy ra trên bề mặt, nhưng ứng suất tiếp cực đại lại xuất hiện dưới bề mặt một khoảng nào đó. Khi sự lăn xảy ra, chiều của ứng suất tiếp bị đổi dấu trên từng bề mặt chi tiết. Thời gian để mòn do mỏi xảy ra phụ thuộc vào cường độ của ứng suất tiếp đổi chiều, điều kiện bôi trơn và tính chất mỏi của vật liệu lăn. Khi một vết nứt về mỏi xuất hiện dưới bề mặt, nó sẽ phát triển và tách vật liệu vùng bề mặt ra thành những mảnh mòn mỏng. Bởi vì vật liệu trong tiếp xúc lăn thường qua tôi nên bề mặt thường cứng, do đó các vết nứt xuất hiện ở bề mặt do ứng suất kéo tạo nên hiện tượng mỏi bề mặt. Mỏi bề mặt lăn không trượt đặc trưng bởi sự hình thành các mảnh mòn lớn sau một số chu kỳ giới hạn nào đó. 2.4.2.2. Cơ chế mòn do mỏi tiếp xúc vừa lăn vừa trượt. Sự kết hợp giữa lăn và trượt làm dịch chuyển điểm có ứng suất tiếp cực đại lên gần bề mặt hơn, do đó vị trí hỏng do mỏi tiến gần bề mặt hơn. Sự trượt thúc đẩy sự phá huỷ bề mặt do dính. Bôi trơn thích hợp có thể hạn chế đến tối thiểu ảnh hưởng phá huỷ bề mặt do trượt trong điều kiện tiếp xúc này. 2.4.2.3. Cơ chế mòn do mỏi tiếp xúc trượt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Khi bề mặt hạt mài và bề mặt đầu ép trượt tương đối với nhau, mòn xảy ra do dính và cào xước. Tuy nhiên, có thể thấy rằng các đỉnh nhấp nhô của đầu ép có thể tiếp xúc và trượt với nhau mà không bị dính hoặc cào xước. Ứng suất tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô làm cho đỉnh các nhấp nhô ở một hoặc cả hai bề mặt bị biến dạng dẻo. Sự biến dạng ở bề mặt hoặc dưới bề mặt xảy ra theo chu kỳ là nguyên nhân xuất hiện các vết nứt (từ mầm vết nứt hoặc những chỗ trống hoặc vết nứt tế vi có sẵn) ở trên bề mặt hoặc ở dưới bề mặt. Các vết nứt này tiếp tục phát triển. Sau một số lần tiếp xúc nhất định, các nhấp nhô này bị phá huỷ và tạo thành hạt mòn. Rất khó có thể chứng minh mỏi là nguyên nhân mòn chính trong một tập hợp các điều kiện xác định. Archard và Hirst cho rằng kim loại dính sang bề mặt đối tiếp cuối cùng tách ra thành những hạt mòn do quá trình mỏi. Hệ số k trong phương trình mòn do dính được giải thích là xác xuất của một đỉnh nhấp nhô tiếp xúc tạo ra một mảnh mòn mà không có một giải thích nào về bản chất vật lý của việc tạo nên mảnh mòn. Mặc dù lý thuyết mòn do dính giải thích hiện tượng dính vật liệu sang bề mặt đối tiếp nhưng không giải thích được hiện tượng hình thành hạt mòn rời, đặc biệt sự hình thành hạt mòn của vật liệu cứng hơn khi hai bề mặt trượt trên nhau. Tất cả những điều này có thể giải thích bằng giả thuyết rằng mòn là một quá trình mỏi. Yếu tố k có thể hiểu rằng một hạt mài được tạo ra khi một nhấp nhô có số lần tiếp xúc và biến dạng đủ để tạo nên sự nứt vì mỏi. Khi điều này xảy ra, một hạt mòn rời được tạo ra và tất nhiên cơ chế này dùng để giải thích cho sản phẩm của các hạt mòn hình thành từ cả bề mặt vật liệu rắn hơn và mềm hơn. Cơ chế mòn do mỏi không loại bỏ khả năng dính của vật liệu sang bề mặt đối tiếp bằng cơ chế dính nhưng dường như phần lớn các hiện tượng mòn đều có thể giải thích về định tính trên khía cạnh mòn do mỏi. 2.4.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do mỏi. Hiện nay lý thuyết mòn do mỏi chưa đưa ra được các nghiên cứu để xác định chính xác cơ tính của vật liệu và các tính chất bề mặt của đầu ép tối ưu để chống mòn do mỏi. Tuy nhiên lý thuyết mòn do mỏi đã chỉ ra rằng, để khắc phục và hạn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 chế hiện tượng hỏng bề mặt đầu ép do mòn mỏi ta cần phải chống biến dạng dẻo và nứt tế vi dưới bề mặt chi tiết, cũng chính là hạn chế mòn do biến dạng dẻo và cào xước. Với điều kiện tải trọng làm việc coi là không thay đổi và sự lăn hoặc trượt của hạt mài trên bề mặt chi tiết đầu ép là rất nhỏ, do đó mòn do mỏi không phải là mòn chính đối với bề mặt chi tiết đầu ép. 2.5. Mòn fretting. 2.5.1. Hiện tượng. Hiện tượng fretting xảy ra khi chuyển động tương đối giữa hạt mài với bề mặt đầu ép dao động với biên độ thấp (trong khoảng vài chục nanômét đến vào chục micrômét) xảy ra trên bề mặt tiếp xúc chung của các bề mặt (về danh nghĩa là đứng yên). Đây là hiện tượng có thể sảy ra bởi vì nếu máy lắp đặt khi làm việc có dao động. 2.5.2. Cơ chế mòn fretting. Thực chất fretting là một dạng của mòn do dính và do hạt cứng mà ở đó tải trọng pháp tuyến gây nên hiện tượng dính ở đỉnh các nhấp nhô và chuyển động dao động gây nên sự cắt đứt tạo nên các mảnh mòn. Fretting kết hợp với ăn mòn hoá học là hiện tượng phổ biến gọi là fretting hoá. Ví dụ các hạt mòn thép sạch được tạo ra giữa hai bề mặt sẽ bị ô xy hoá tạo thành ô xít Fe203 sẽ là nguồn các hạt cứng trên mặt tiếp xúc chung. Bởi vì các bề mặt được ép sát với nhau và dao động với biên độ rất nhỏ nên các bề mặt không bao giờ tách rời nhau và như thế sẽ không có cơ hội để các mảnh mòn này lọt ra ngoài. Dao động tiếp tục xảy ra tạo ra các mảnh mòn mới và tiếp tục bị ô xy hoá và cứ thế lặp lại. Do vậy mòn trên một đơn vị chiều dài trượt do fretting có thể lớn hơn so với mòn do dính và do cào xước thông thường. Dao động trong mòn fretting chủ yếu do kích động từ bên ngoài, nhưng trong nhiều trường hợp đó là kết quả của một trong những chi tiết chịu ứng suất thay đổi chu kỳ. Các vết nứt sẽ được tạo ra và dạng mòn đó gọi là mỏi fretting. Mòn do fretting sẽ tăng đột ngột khi biên độ dao động trượt vượt qua dải biên độ giới hạn. Với một biên độ dao động nhất định, khối lượng mòn vật liệu đầu ép trên một đơn vị chiều dài trượt của một đơn vị tải trọng pháp tuyến sẽ tăng tuyến tính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 theo số chu kỳ dao động tới biên độ dao đến 100mm. Khi vượt qua biên độ giới hạn này, tốc độ mòn sẽ đạt tới hằng số giống như tốc độ mòn trong trượt liên tục và trượt khứ hồi. Điều này cho phép đưa ra một giới hạn trên có thể của biên độ trượt cho fretting. Ở biên độ nhỏ, đặc trưng của fretting, vận tốc trượt tương đối nhỏ hơn rất nhiều so với trượt thông thường mặc dù biên độ dao động có thể cao. Tốc độ mòn do fretting tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến với biên độ trượt cho trước. Trong trượt bộ phận, tần số dao động ít ảnh hưởng tới tốc độ mòn trên một đơn vị chiều dài trượt trong dải tần số thấp. Tăng tốc độ biến dạng ở tần số cao dẫn đến tăng phá huỷ do mỏi và ăn mòn hoá học do nhiệt độ tăng. Tuy nhiên trong trượt toàn phần tần số ít có ảnh hưởng. 2.5.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn fretting. Mòn fretting không phải là mòn chính gây hỏng bề mặt chi tiết, bởi vì biên độ dao động của máy ép rất nhỏ. Để giảm đến mức thấp nhất mòn do fretting, máy ép lắp đầu ép thiết kế phải giảm đến tối thiểu dao động, giảm ứng suất hoặc loại trừ việc thiết kế hai vật liệu đầu ép và hạt mài có cơ tính gần giống nhau. 2.6. Mòn do va chạm. 2.6.1. Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion). 2.6.1.1. Hiện tượng. Erosion là hiện tượng va chạm của các hạt mài cứng với bề mặt đầu ép. Đây là một dạng của mòn cào xước do hạt cứng gây ra nhưng có đặc trưng riêng đó là ứng suất tiếp xúc sinh ra do năng lượng động lực học của các hạt khi va chạm vào bề mặt. Tốc độ của hạt, góc va chạm kết hợp với kích thước của các hạt tạo nên năng lượng va chạm của chúng tỷ lệ với bình phương vận tốc. Các mảnh mòn do va chạm tách ra khỏi bề mặt sau một số chu kỳ va chạm nhất định. 2.6.1.2. Cơ chế mòn. Tương tự như mòn do cào xước, nguyên nhân của mòn vật liệu đầu ép do va chạm hạt mài là biến dạng dẻo và nứt tách phụ thuộc vật liệu đầu ép và các thông số của quá trình. Hình dạng của các hạt mài ảnh hưởng đến kiểu biến dạng dẻo xảy ra quanh vị trí va chạm và có quan hệ với lượng vật liệu bị đẩy ra. Trong trường hợp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 vật liệu dòn, mức độ và sự khốc liệt của các vết nứt phụ thuộc vào độ sắc của các hạt, các hạt sắc gây mòn mạnh hơn so với hạt cùn. Đối với vật liệu dẻo, người ta đã quan sát được hai cơ chế mòn cơ bản do va chạm của hạt cứng đó là cắt (cutting erosion) và cày (ploughing erosion). Tuy nhiên mức độ mòn gây ra bởi hai cơ chế này cũng phụ thuộc vào góc va chạm. Ở chế độ cắt mòn xảy ra mạnh nhất theo phương grazing và chế độ cày theo phương vuông góc. Độ cứng bề mặt và tính dẻo của vật liệu đầu ép là hai tính chất quan trọng nhất của vật liệu chống lại mòn do va chạm cắt và biến dạng dẻo của hạt mài. 2.6.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do va chạm của hạt cứng (erosion). Mòn do va chạm của các hạt mài là một vấn đề quan tâm trong trong nghiên cứu mòn vật liệu do va chạm hạt cứng, đối với quy trình sản xuất đá mài do quá trình ép đá diễn ra chậm (tốc độ ép vài mét trên phút) vì vậy mà sự va chạm diễn ra không phức tạp, năng lượng va chạm nhỏ nên ảnh hưởng gây mòn là rất nhỏ. 2.6.2. Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion). 2.6.2.1. Hiện tượng. Mòn do va chạm của các vật rắn là va chạm có chu kỳ của hạt mài với đầu ép đá mài. Trong phần lớn các ứng dụng va chạm liên quan đến trượt nghĩa là bao gồm cả thành phần pháp và tiếp. Mòn do va chạm của các vật rắn xảy ra nhờ cơ chế hybrid là sự kết hợp của một loạt cơ chế: dính, hạt cứng, mỏi bề mặt, nứt tách và tribochemical. 2.6.2.2. Cơ chế mòn. Mòn do va chạm tỷ lệ thuận với yếu tố trượt bởi vì mòn chủ yếu xảy ra trong phần va chạm của trượt tương đối. Va chạm pháp tuyến trên bề mặt cứng hơn có thể tạo nên cơ chế mòn do mỏi dưới bề mặt. Một va chạm xảy ra cùng sự trượt (va chạm kết hợp) tạo nên mỏi bề mặt và hoặc dính, mòn do cào xước. Các cơ chế mòn riêng biệt phụ thuộc vào hình học, vật liệu và các thông số của quá trình. Với các vật liệu có độ dai va đập cao, sự tham gia của mỏi bề mặt có thể bỏ qua. 2.6.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn va chạm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 Mòn do va chạm không phải là mòn chính gây mòn chi tiết, vì vận tốc di chuyển của đầu ép rất nhỏ, và các hạt mài có khối lượng rất nhỏ, khi tiếp xúc với bề mặt đầu ép được nén từ từ do đó vận tốc va chạm gần bằng không. Tuy nhiên để hạn chế mòn, lý thuyết mòn do va chạm đã cho ta thấy cần phải hạn chế tối thiểu mòn do cào xước băng biến dạng dẻo và mòn do mỏi. 2.7. Đánh giá ảnh hưởng của các dạng hao mòn ở chi tiết đầu ép. Mòn do dính: + Giới hạn chảy của vật liệu đầu ép phải thoả mãn yêu cầu tuổi bền đầu ép, giới hạn mòn và lực ép của máy. + Tạo độ bóng và lớp màng bề mặt hợp lý nhằm giảm ma sát trên bề mặt chi tiết đầu ép. Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo. + Giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu đầu ép phải thoả mãn yêu cầu tuổi bền đầu ép và lực ép của máy. + Tăng độ bóng, làm giảm các nhấp nhô trên bề mặt chi tiết đầu ép. Mòn do cào xước bằng nứt tách. + Khắc phục và hạn chế biến dạng dẻo trên bề mặt đầu ép tức là phải đảm bảo: - Giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu đầu ép phải phải thoả mãn yêu cầu tuổi bền đầu ép và lực ép của máy. - Tăng độ bóng, làm giảm các nhấp nhô trên bề mặt chi tiết đầu ép. + Ưu tiên tăng độ cứng bề mặt nhưng không nên cao quá nhằm đảm bảo độ dẻo, độ dai va đập dưới vùng biến dạng của bề mặt chi tiết đầu ép. Kết hợp tất cả các các yêu cầu các biện pháp kết cấu (thiết kế), công nghệ (chế tạo) và sử dụng nhằm đảm bảo các yêu cầu sau: + Độ cứng tính toán của vật liệu đầu ép phải đảm bảo yêu cầu tuổi bền đầu ép, giới hạn mòn và lực ép của máy. + Vật liệu đầu ép phải có hệ số ma sát tiếp xúc với các hạt mài nhỏ. + Tạo độ bóng trên bề mặt đầu ép nhằm giảm các mấp mô và ma sát trên bề mặt chi tiết đầu ép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 + Tạo lớp màng bề mặt sao cho độ cứng bề mặt được tăng lên, độ dòn nhỏ và liên kết tốt với kim loại gốc trên bề mặt đầu ép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 Chương 3 MỘT SỐ GIẢI PHÁP CHỐNG HAO MÒN ĐẦU ÉP 3.1. Một số biện pháp kết cấu. 3.1.1. Nguyên tắc. Nguyên tắc cơ bản và là cơ sở của việc thiết kế và tính toán hình dạng và kích thước của đầu ép là bảo đảm chế độ hao mòn theo các cơ chế mòn và tải trọng an toàn. Để bảo đảm được nguyên tắc ấy phải dựa vào những quy luật đã biết của các dạng hao mòn phụ thuộc vào tốc độ trượt và tải trọng để lựa chọn vật liệu và môi trường, đồng thời cũng phải căn cứ vào các tài liệu về ảnh hưởng của kích thước các cặp ma sát đến dạng hao mòn và cường độ mòn. Trong điều kiện làm việc thực tế của đầu ép, ta lựa chọn một số giải pháp thiết kế nhằm khắc phục hư hỏng do mòn và nâng cao tính chống mòn của đầu ép, các giải pháp có thể tập vào mấy vấn đề sau: + Chọn hợp lý cơ tính của đầu ép, + Chọn hợp lý vật liệu chế tạo đầu ép, + Phân tích chi tiết đầu ép về tính kết cấu và tính công nghệ nhằm xác định hình dạng, kích thước và độ bóng các bề mặt làm việc để đảm bảo độ bền cho chi tiết. Trong số các biện pháp về kết cấu, việc chọn đúng vật liệu và chọn đúng phương pháp làm tăng độ bền của các cặp ma sát là rất quan trọng. 3.1.2. Chọn vật liệu chế tạo đầu ép. 3.1.2.1. Những yêu cầu đối với vật liệu chế tạo đầu ép. Như ta đã biết, đầu ép trực tiếp làm nhiệm vụ ép vật liệu hạt mài, để tạo kích thước và độ bền của đá mài. Để nâng cao tuổi bền, nâng cao chất lượng của đá mài, đầu ép không những phải có hình dáng hình học hợp lý mà còn phải chọn được loại vật liệu thích hợp, nhằm đảm bảo được các yêu cầu như: tính năng làm việc, tính công nghệ và tính kinh tế. - Tính năng làm việc: Trong quá trình làm việc, ở phần bề mặt làm việc của đầu ép xuất hiện ứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 suất nén lớn sn»80kG/cm2, ma sát giữa hạt mài và bề mặt đầu ép lớn, hệ số tải trọng động nhỏ không đáng kể, nhiệt độ tập trung trên bề mặt làm việc khoảng 27°C. Trong điều kiện làm việc như vậy, để kéo dài thời gian sử dụng của đầu ép, đòi hỏi vật liệu đầu ép cần có những tính chất cơ lý cần thiết như độ cứng, độ dẻo, độ chịu mòn, độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, tính công nghệ và tính kinh tế cao. + Độ cứng: Việc đảm bảo độ cứng đầu ép cho phép tăng khả năng chịu mòn và tăng tốc độ ép đá mài. Muốn ép được đá mài, độ cứng đầu ép phải lớn lực hơn lực ép tác động lên bề mặt đầu ép. Lưc tác động lên bề mặt đầu ép 80 kG/cm2, độ cứng tế vi của hạt mài rất lớn khoảng 21 000 N/mm2 đến 23 500 N/mm2. Độ cứng tối thiểu của đầu ép được xác định từ yêu cầu về ma sát và mòn (đã được xác định ở chương 2) là: H ≥ HRC55. Để đầu ép bảo đảm tốt điều kiện làm việc khi ép đá mài, ta phải chọn độ cứng của đầu ép lớn hơn độ cứng tính toán, nhưng không chọn lớn quá, nhằm đảm bảo độ dẻo, độ dai lớp vật liệu dưới bề mặt làm việc. Ta có thể chọn độ cứng bề mặt của đầu ép là HRC62, với độ cứng này đầu ép có khả năng chống mài mòn rất cao. + Độ bền mòn: Độ bền mòn của vật liệu đầu ép là một thông số rất quan trọng của đầu ép. Nó được đặc trưng bởi khả năng giữ vững hình dáng và thông số hình học đầu ép. Khi ép luôn xẩy ra hiện tượng biến dạng dẻo và cào xước trên bề mặt của đầu ép. Do đó, để đảm bảo tuổi bền vật liệu đầu ép cần phải có độ cứng cao, độ bền nhiệt cao. Để tăng độ bền mòn, cần phải chọn vật liệu thép hợp kim có một số nguyên tố hợp kim như: W; V; Cr; Mo; Mn; Si. + Độ bền cơ học: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Trong quá trình làm việc, đầu ép chịu lực ép lớn. Do đó, nếu độ bền cơ học không đảm bảo sẽ dẫn đến tình trạng đầu ép bị phá hỏng sớm do mẻ, vỡ, tróc, mòn.. Vì vậy, độ bền cơ học là yếu tố quan trọng của vật liệu làm đầu ép. Muốn vật liệu làm đầu ép có độ bền cơ học cao, vật liệu đầu ép phải có khả năng thấm tôi và tính tôi tốt, nhằm đảm bảo đạt độ cứng bề mặt mà vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai va đập. + Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt của vật liệu đầu ép càng cao thì nhiệt được truyền khỏi vùng làm việc càng nhanh. Do đó, giảm nhiệt độ trên vùng ép, tăng độ bền mòn cho đầu ép. - Tính công nghệ: Đầu ép có yêu cầu khá cao về độ bóng, độ chính xác hình dáng kích thước. Muốn đạt được yêu cầu trên, vật liệu làm đầu ép phải có tính công nghệ tốt cụ thể là vật liệu cho phép dễ cắt, dễ nhiệt luyện. - Tính kinh tế: Giá thành vật liệu thường chiếm một tỷ lệ cao trong giá thành chế tạo đầu ép. Do vậy, cần phải lựa chọn vật liệu chế tạo đầu ép hợp lý, nhằm giảm giá thành chế tạo mà vẫn đảm bảo yêu cầu làm việc của đầu ép. 3.1.2.2. Chọn vật liệu đầu ép. Qua khảo sát các cơ sở sản xuất đầu ép trong nước và đầu ép nhập khẩu từ nước ngoài, đầu ép được chế tạo thường từ một số loại vật liệu như: Thép các bon dụng cụ, thép hợp kim, thép gió. a. Thép các bon dụng cụ. + Độ cứng của thép các bon dụng cụ sau nhiệt luyện có thể đạt tới HRC 60¸65, + Độ cứng trong lõi của thép các bon dụng cụ khoảng: HRC 40, + Độ thấm tôi thấp nên phải tôi trong nước hoặc trong hỗn hợp nước và muối. Do tốc độ nguội nhanh, nên trong khi tôi thường bị biến dạng, nứt, vỡ. Mặt khác, thép các bon dụng cụ rất nhạy cảm với sự quá nhiệt. Khi quá nhiệt, kích thước hạt tăng nhanh, làm độ giòn tăng và dễ gây mẻ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 + Độ bền nhiệt của thép các bon dụng cụ khoảng 200¸300°C, + Độ bền cơ học có thể đạt tới 1150Mpa, + Độ bền mòn kém do thành phần của thép các bon dụng cụ có ít các nguyên tố hợp kim như W; V; Cr; Mo; Mn; Si… + Thép các bon dụng cụ có ưu điểm dễ mài sắc, dễ đạt độ nhẵn bề mặt và giá thành hợp lý. b. Thép hợp kim. + Độ cứng sau nhiệt luyện có thể đạt tới HRC 62¸66, + Độ cứng trong lõi khoảng: HRC 40, + Độ thấm tôi và tính tôi tốt, nên sau khi tôi có thể làm nguội trong dầu. Do đó, chi tiết làm bằng thép hợp kim, sau khi tôi ít bị biến dạng, cong vênh, + Độ bền nhiệt khoảng 300¸400°C, + Độ bền cơ học cao có thể đạt tới 2000Mpa, + Độ bền mòn cao, do thành phần của thép hợp kim có thành phần các nguyên tố hợp kim như W; V; Cr; Mo; Mn; Si… + Thép hợp kim có ưu điểm dễ mài sắc, dễ đạt độ nhẵn bề mặt cao và giá thành rẻ: 90000 ¸ 95000 đồng/kg. c. Thép gió: + Độ cứng bề mặt sau nhiệt luyện có thể đạt tới: HRC 62¸65, + Độ thấm tôi và tính tôi tốt, nên sau khi tôi có thể làm nguội trong dầu. Do đó chi tiết làm bằng thép gió, sau khi tôi ít bị biến dạng, cong vênh, + Độ bền nhiệt của thép các bon dụng cụ khoảng 400-600°C, + Độ bền cơ học cao có thể đạt tới 2 500Mpa, + Độ bền mòn cao hơn thép hợp kim do thành phần của thép gió có các nguyên tố hợp kim như W; V; Cr; Mo; Mn; Si… + Thép gió có nhược điểm khó gia công, khó đạt độ nhẵn bề mặt cao và giá thành đắt: 300000 ¸ 320000 đồng/kg. d. Chọn vật liệu đầu ép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Từ việc phân tích đặc tính, ưu điểm và nhược điểm của từng loại thép: thép các bon dụng cụ, thép hợp kim và thép gió, ta thấy: + Thép các bon dụng cụ: đảm bảo cơ tính làm việc của đầu ép, giá thành rẻ, dễ gia công, nhưng độ bền cơ học và độ bền mòn không cao so với thép hợp kim và thép gió. Mặt khác, độ thấm tôi và tính tôi kém, chi tiết đầu ép rất dễ bị biến dạng và cong vênh do có các rãnh đồng tâm và đầu ép có kích thước mỏng. + Thép gió: Đảm bảo cơ tính làm việc của đầu ép đá, độ bền cơ học, độ bền mòn, độ thấm tôi và tính tôi cao hơn thép các bon dụng cụ và thép hợp kim. Nhưng tính gia công kém, khó gia công được các rãnh đồng tâm, giá thành rất đắt so với thép các bon dụng cụ và thép hợp kim (đắt gấp khoảng 5 lần). + Thép hợp kim: Đảm bảo cơ tính làm việc của đầu ép, độ bền cơ học, độ bền mòn, độ thấm tôi và tính tôi rất cao có thể tương đương với thép gió. Mặt khác tính gia công dễ, có thể gia công dễ dàng các rãnh đồng tâm của đầu ép và nhiệt luyện mà không gây biến dạng hoặc gây tập trung ứng suất. Giá thành rẻ hơn rất nhiều so với thép gió và không đắt hơn thép các bon dụng cụ nhiều. Do vậy, chọn vật liệu chế tạo đầu ép là thép hợp kim. Trong các loại thép hợp kim được chia ra các nhóm vật liệu có tính chất, công dụng riêng như: Vật liệu chịu mài mòn, vật liệu có tính chất đàn hồi cao, vật liệu chịu ăn mòn và chịu nhiệt, vật liệu làm dụng cụ cắt, vật liệu làm dụng cụ gia công kim loại bằng áp lực… Với đầu ép thuộc loại chi tiết làm việc với áp lực cao, nhưng lại chịu mài mòn là chủ yếu, yêu cầu độ cứng và độ bền cơ học cao, do vậy ta chọn vật liệu chế tạo đầu ép là vật liệu thuộc nhóm vật liệu chịu mài mòn và nhóm vật liệu làm dụng cụ gia công chịu áp lực cao, sẽ đảm bảo được các yêu cầu về tính năng làm việc, tính công nghệ và tính kinh tế. Với những yêu cầu như trên, ta chọn thép ổ lăn mác ШX15 làm vật liệu chế tạo đầu ép. Bảng 3.1. Thành phần hoá học của thép ШX15 Mác thép Thành phần hoá học, % C Mn Si Cr Ni Cu S P ШX15 0,95-1,05 0,2-0,4 0,17-0,37 1,30-1,65 0,3 0,25 0,02 0,027 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Bảng 3.2. Cơ tính của thép ШX15 Mác thép sc MPa sb MPa d % y % ak kgm/cm2 Độ cứng trước nhiệt luyện HB Độ cứng sau nhiệt luyện HRC ШX15 420 730 21 0,3 0,25 179-207 62-64 3.1.3. Phân tích tính kết cấu và tính công nghệ của đầu ép. Các rãnh đồng tâm trên bề mặt làm việc của đầu ép có nhiệm vụ tạo nên các rãnh thoát phoi trên mặt đầu của đá mài ba via. Các rãnh đồng tâm này không cần yêu cầu cao về độ chính xác hình dáng và kích thước, vì yêu cầu về độ mòn làm việc cho phép là 0,5mm nhưng lại yêu cầu có độ cứng và độ bền mòn cao. Do vậy, các rãnh đồng tâm chỉ cần yêu cầu về độ bóng bề mặt rãnh là Ñ5, nhưng độ cứng bề mặt phải đạt HRC62 với độ thấm tôi 0,3mm. Với yêu cầu về độ cứng, độ chính xác và độ bóng bề mặt như vậy ta có thể sử dụng phương pháp tiện thô, sau đó nhiệt luyện và tiện tinh. Do đó các rãnh đồng tâm sẽ đảm bảo về tính kết cấu và tính công nghệ. Đoạn cung lồi trên bề mặt làm việc của đầu ép, có nhiệm vụ tạo nên biên dạng của lỗ lắp đá. Biên dạng này cần yêu cầu cao về độ cứng, độ bền mòn, độ chính xác và độ bóng bề mặt gia công, vì biên dạng của đá được tạo nên từ đoạn cung lồi này là chuẩn lắp ghép đá trên khuôn nung và là chuẩn lắp đá trong quá trình sử dụng. Vì vậy đoạn cung này yêu cầu độ cứng là HRC62, độ bóng là Ñ6 và độ chính xác cao. Với yêu cầu như vậy, ta có thể sử dụng tiện thô, nhiệt luyện và tiện tinh là phương pháp gia công lần cuối. Do vậy đoạn cung lồi này đảm bảo về tính kết cấu và tính công nghệ. Lỗ d16 được lắp vào trục của đầu kẹp trên pistong, lỗ d16 có tác dụng dẫn hướng (định vị) đầu ép. Do vậy lỗ d16 yêu cầu cao về độ bóng và độ chính xác gia công. Độ bóng Ñ6 và độ chính xác H7, với yêu cầu về độ bóng và độ chính xác như vậy ta có thể sử dụng phương pháp tiện tinh để đạt được độ chính xác H7 và độ bóng Ñ6. Do vậy lỗ d16 này đảm bảo về tính kết cấu và tính công nghệ. Các bề mặt khác như rãnh cổ đầu ép, các bề mặt bên và mặt đầu đều là các bề mặt lắp ghép, cần yêu cầu cao về độ cứng, độ bóng và độ chính xác bề mặt gia Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 công. Do đó cần yêu cầu phải có độ bóng Ñ5 và độ cứng HRC50. Với yêu cầu như vậy, ta có thể chọn tiện thô, nhiệt luyện rồi tiện tinh là phương pháp gia công lần cuối để đạt được các yêu cầu. Do vậy các bề mặt này đảm bảo về tính kết cấu và tính công nghệ. Tóm lại, vật liệu đầu ép yêu cầu đảm bảo được tính kết cấu và khả năng công nghệ để đạt được kích thước, hình dáng, độ bóng và độ cứng yêu cầu của chi tiết. 3.2. Nhiệt luyện chi tiết đầu ép. Các biện pháp công nghệ làm tăng độ bền, độ cứng bề mặt làm việc của chi tiết máy gồm có: nhiệt luyện, hoá nhiệt luyện, mạ phủ các lớp kim loại chống mòn, … Với vật liệu của đầu ép là thép ШX15 (0,95¸1,05%C; 2¸3% thành phần hợp kim) có tính tôi tốt, ta có thể chọn phương pháp tôi để đảm bảo độ cứng bề mặt, độ cứng lớp bề mặt có thể đạt được HRC62¸HRC64, độ thấm tôi 0,3mm, duy trì độ cứng lõi khoảng HRC45, với độ cứng lớp bề mặt như vậy, đầu ép sẽ có khả năng chống mòn rất cao. Do vậy ta chọn công nghệ nhiệt luyện để làm tăng độ cứng, độ bền mòn của đầu ép. 3.2.1. Yêu cầu chiều dầy lớp thấm tôi bề mặt đầu ép. Chiều sâu lớp thấm tôi yêu cầu đối với chi tiết đầu ép là 0,3 mm, Độ cứng bề mặt của chi tiết đầu ép yêu cầu không thấp hơn HRC62. Độ cứng lõi cần phải đạt khoảng HRC45, Để đạt được yêu cầu về độ cứng như trên, thì với thép ШX15 (0,95¸1,05%C; 2¸3% thành phần hợp kim) khi tôi sẽ đạt độ cứng HRC62-64. 3.2.2. Thời gian nung chi tiết đầu ép. Khi nung chi tiết đầu ép đến khoảng nhiệt độ 3000C ¸ 500°C, đây là khoảng nhiệt độ gây ứng suất dư khốc liệt nhất trong lòng vật liệu. Chính vì vậy, nếu thời gian nung chi tiết quá ngắn thì trong khoảng nhiệt độ này sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt ngoài và trong lòng vật liệu của chi tiết lớn, do đó ứng suất dư trong lòng vật liệu sẽ lớn và có thể gây nứt cục bộ. Còn nếu thời gian nung quá dài sẽ gây tốn nhiên liệu nung không cần thiết. Do vậy, ta cần phải tính thời gian nung chi tiết hợp lý. Thời gian nung t được tính theo công thức kinh nghiệm: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 H äc V iª n § in h Xu ©n N gä c H D KH S® Sl g TS .V ò Q § ¹c Sè tµ i l iÖ u Tr õ¬ ng § ¹i H äc K ü Th uË t C «n g N gh iÖ p Th ¸i N gu yª n Sè l• în g Tê s è : 0 1 § Çu Ð p § ¸ m µi b a vi a C h÷ k ý N gµ y ? X1 5 Tû lÖ 1: 1 Lí p C ao h äc K 8- C N C TM Tr õ¬ ng § ¹i H äc K ü Th uË t C «n g N gh iÖ p Kh èi l• în g 1, 2 kg Sè tê : 01 D D Ñ Ñ yª u c Çu k ü th u Ët 1. § é bã ng c ¸c b Ò m Æt c ßn l¹ i: Ñ 6 2. § é ®¶ o c¸ c m Æt A , B v íi ® õ¬ ng t© m c hi ti Õt £ 0 ,0 3 3. § é kh «n g ®å ng t© m g i÷ a c¸ c bÒ m Æt 80 -0 ,0 2 -0 ,0 4, 10 0- 0, 12 -0 ,1 5 vµ 16 ,1 +0 ,0 8 +0 ,0 6 £ 0 ,0 5 3. § é c« n vµ ® é « va n cñ a c¸ c bÒ m Æt 80 -0 ,0 2 -0 ,0 4, 10 0- 0, 12 -0 ,1 5 vµ 16 ,1 +0 ,0 8 +0 ,0 6 £ 0 ,0 5 4. N hi Öt lu yÖ n, th Êm c ¸c b on b Ò m Æt r¨ ng ® ¹t ® é cø ng : H R C 6 0 ¸ 62 ch iÒ u s© u lí p th Êm k h« ng n há h ¬n 0 ,3 m m Hình 3.1. Bản vẽ chi tiết đầu ép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 t = k . S . v (3.1) Trong đó S: là chiều dày vật cần thấm; S = 30mm k: là hệ số ứng với chiều hình dáng vật thấm, với chi tiết dạng đĩa phẳng, k = 1 v: là tốc độ nung, tốc độ nung phụ thuộc vào vật liệu chi tiết là ШX15 và chiều dầy của vật cần thấm, để tránh gây ứng suất dư trong vật liệu chi tiết nhất là ở nhiệt độ dưới 5000C; v = 7 ph/mm. Vậy thời gian nung chi tiết đầu ép là: t = 1 . 30 . 7 = 21 phút. 3.2.3. Tôi chi tiết đầu ép. Quá trình tôi: Chi tiết đầu ép được giữ trong lò ở trên nhiệt độ tôi tới hạn AC1 khoảng 30¸50°C, để làm xuất hiện trạng thái không hoàn toàn của ôstenit, giữ nhiệt rồi làm nguội với tốc độ nguội thích hợp để làm nó biến thành tổ chức không ổn định mactenxit + xêmentit II + ôstenit dư với độ cứng cao, tính chống mài mòn tốt. Độ cứng của bề mặt chi tiết đầu ép đạt được là HRC60-64. Nhiệt độ tôi: T°tôi = AC1 + (30-50°C) = 760 -780°C. Thời gian giữ nhiệt: Thời gian giữ nhiệt ảnh hưởng đến kích thước hạt austenit, khi thời gian giữ nhiệt càng dài thì hạt austenit càng thô, do đó độ dẻo dai của kim loại càng thấp. Thực nghiệm cho thấy, thời gian giữ nhiệt thường lấy bằng 25% thời gian nung. Vậy ta lấy thời gian giữ nhiệt chi tiết đầu ép là 6phút. Tốc độ tôi tới hạn VTh: là một trong những yếu tố gây ảnh hưởng quyết định tới kết quả tôi. Tốc độ tôi tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để austenit chuyển thành mactenxit. Có thể tính gần đúng theo công thức: ( )01 0, /mth m A T V C s t - = (3.2) Trong đó: A1: nhiệt độ tới hạn dưới của thép, Tm0, tm: nhiệt độ và thời gian ứng với ôstenit kém ổn định nhất, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 A1 và Tm0 tương đối ổn định, còn tm thay đổi mạnh ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn. Trong các yếu tố ảnh hưởng đến VTh như: thành phần hợp kim, sự đồng nhất và kích thước hạt của austenit, các phần tử rắn chưa tan vào austenit thì ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim là quan trọng nhất. Thép có 2-3% hợp kim thì VTh ~ 100°C/s, Thép có 5-7% hợp kim thì VTh ~ 25°C/s, Vậy với thép ШX15 có 2-3% hợp kim thì VTh = 100°C/s. Môi trường làm nguội: Sau khi nung và giữ nhiệt, chi tiết được làm nguội với tốc độ đủ lớn, để không có sự phân hoá khuếch tán của austenit thành peclit, tức là khi làm nguội, chi tiết đầu ép nhận được tổ chức mactenxit với lượng austenit dư ít nhất. Ở nhiệt độ trên 6500C tốc độ chuyển biến của austenit rất nhỏ, nên có thể làm nguội chậm, nhưng thời gian không được quá lâu. Trong khoảng nhiệt độ từ 450 ¸ 6500C austenit kém ổn định nhất, cần được làm nguội nhanh nhất để tránh sự phân hoá austenit. Dưới 4000C austenit tương đối ổn định và sắp đến vùng chuyển biến Bảng 3.3. Một số môi trường tôi. TT Môi trường làm nguội Tốc độ làm nguội 0C/s 500°C¸600°C 200°C¸300°C 1 H2O + 10% NaOH, 20°C 1200 300 2 H2O + 10% NaCl, 20°C 1100 300 3 H2O + 10% Na2CO3, 20°C 800 270 4 H2O ở nhiệt độ 18°C 600 220 5 H2O ở nhiệt độ 30°C 500 180 6 H2O ở nhiệt độ 50°C 100 150 7 H2O ở nhiệt độ 74°C 60 130 8 H2O xà phòng 30 2 9 Dầu thực vật 200 35 10 Dầu hoả 170 50 11 Dầu khoáng 110 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 mactenxit nên cần làm nguội chậm, để tránh gây ra ứng suất dư lớn. Trên thực tế không có môi trường làm nguội nào thoả mãn được các yêu cầu này, thông thường người ta hay sử dụng một số loại môi trường như nước, dầu, dung dịch muối. Đây là một số loại môi trường làm nguội đơn giản, hiệu quả, giá thành rẻ và được dùng rất phổ biến trong thực tế sản xuất.Vậy với tốc độ tôi tới hạn của chi tiết đầu ép là 1000C/s ta chọn môi trường làm nguội là dầu khoáng. 3.3. Một số giải pháp hỗ trợ tính ổn định khả năng làm việc đầu ép. + Lắp điều hoà nhiệt độ trong phòng làm việc của máy ép nhằm đảm bảo nhiệt độ ở 27°C. Không bố trí các thiết bị sinh nhiệt gần nơi làm việc của đầu ép. + Bố trí các phương tiện hoặc thiết bị lọc không khí và dầu bôi trơn cũng như các thiết bị làm kín. Hạn chế tối thiểu môi trường dễ sinh ra các chất ăn mòn hoá học. + Sấy khô nước trong hỗn hợp đá mài và chất dính kết trước khi ép, nhằm hạn chế tối thiểu môi trường ô xy hoá và điện hoá. 3.4. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm tra bền và biến dạng của đầu ép. 3.4.1. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn. a. Nét chính của phương pháp PTHH. Phương pháp PTHH bao gồm hai phương pháp chính: phương pháp chuyển vị và phương pháp lực. Do phương pháp lực khó tự động trên máy tính điện tử nên để giải bài toán tổng quát, thường dùng phương pháp chuyển vị. Các bước cơ bản của phương pháp chuyển vị. - Một vật thể có thể được chia nhỏ thành n phần tử con hữu han gọi tắt là PTHH, - Các phần tử được liên kết với nhau qua các nút, - Đối với mỗi phần tử sẽ được xây dựng một hàm chuyển vị thay thế cho phần tử, hàm này được biểu diễn thông qua các điểm nút tương thích với các phần tử lân cận. - Thiết lập phương trình đối với mỗi phần tử và cơ hệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 - Giải hệ phương trình ta được chuyển vị của các nút, - Với các chuyển vị nút, ta sẽ tính được biến dạng và ứng suất tại các nút, từ đó tìm được biến dạng và ứng suất của từng điểm bất kỳ trong vật thể. b. Giới thiệu phần mềm Cosmos. - Tên phần mềm: Cosmos Design Star, - Phiên bản: 4.0, - Mô tả: Phần mềm tính phần tử hữu hạn, viết tắt FEM(Finite Elemen Method), - Chức năng: giải được các bài toán sau: + Bài toán cơ học: Bài toán tĩnh học và bài toán động học, + Bài toán trường nhiệt độ, truyền nhiệt, + Bài toán cơ học chất lưu, - Ứng dụng: Nghiên cứu tình trạng chịu lực của hệ vật trong các lĩnh vực như + Kết cấu thép, + Nền móng công trình, + Kết cấu máy công tác, + Truyền nhiệt, trường nhiệt độ, + Cơ học chất lưu. 3.4.2. Ứng dụng phần mềm Cosmos kiểm tra bền và biến dạng của đầu ép. Nhập mô hình đồ hoạ CAD vào trong môi trường Cosmos: Có thể nhập trực tiếp vào môi trường Cosmos(đồ hoạ chi tiết trong môi trường Cosmos) hoặc thiết lập mô hình đồ hoạ trong các phần mềm hỗ trợ như: CAD, MasterCAM, Inventor, Solid Work, sau đó chuyển vào môi trường Cosmos (iges). Gán (khai báo)vật liệu từng bộ phận cấu thành chi tiết: Khai báo các thuộc tính của vật liệu ШX15 các thông số chính gồm: Mô đun đàn hồi khí kéo (nén): E= 21.103kN/cm2, Mô đun đàn hồi khí cắt: G= 8.103kN/cm2, Giới hạn bền kéo: [ ] 272 / ,b K kG mms = Hệ số giãn nở nhiệt: 20-300, : λ = 14, Tỷ khối: 37,7 /g cmg = , Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Hệ số Poát xông: 0,3m = , Giới hạn bền cắt: [ ] 243, 2 /c kG mmt = Mô tả liên kết (khống chế bậc tự do của vật thể theo sơ đồ làm việc): mô tả liên kết chi tiết với đầu máy ép, chọn bề mặt khống chế các chuyển vị: mặt đầu f80 và mặt trụ f80. Đặt tải lên từng bộ phận của mô hình: Chọn lực phân bố đều, phương của lực vuông góc với bề mặt làm việc của đầu ép, độ lớn của lực phân bố 80 kG/ cm2, Chạy chương trình tạo phần tử tự động sinh lưới có chủ động điều chỉnh chất lượng mắt lưới(kích thước mắt lưới), chương trình tự động tính toán và cho ra các kết quả: Chuyển vị các phần tử, Ứng suất tại điểm nút, Kiểm tra điều kiện bền (hệ số an toàn), Ứng suất điểm nút, Hình dạng biến dạng của chi tiết, 3.4.3. Một số kết luận và đề xuất nghiên cứu chế tạo loại đầu ép cỡ lớn: a. Một số kết luận: - Ứng dụng phần mềm Cosmos, cho phép kiểm tra bền và biến dạng của các phần tử trên đầu ép một cách nhanh chóng và cho phép xác định ứng suất trên các nút. Đặc biệt là cho phép kiểm tra bền và biến dạng ngay trong thiết kế để chọn giải pháp thiết kế phù hợp. - Nhờ ứng dụng phần mềm Cosmos cho phép dễ dàng xác định được vùng có ứng xuất nguy hiểm, vùng có biến dạng lớn, để từ đó có biện pháp thiết kế chế tạo phù hợp đảm bảo độ bền, độ cứng, độ bền mòn cho chi tiết và kinh tế. - Ứng dụng phần mềm Cosmos cho phép xác định dược tình trạng làm việc của đầu ép ở các trạng thái tải trọng, từ đó có thể phân tích được có chế mòn đầu ép ở các chế độ tải trong khác nhau, ở từng vị trí khác nhau trên bề mặt làm việc của đầu ép. - Trong ứng dụng phần mềm này, để kiểm tra bền và biến dạng của đầu ép, ta đã giả thiết tải trọng phân bố đều trên bề mặt đầu ép và có phương vuông góc với bề Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 mặt làm việc của đầu ép. Thực tế sự phân bố tải trọng trên bề mặt làm việc của đầu ép là phức tạp, chúng có thể tuân theo một quy luật nào đó, nếu tìm ra được quy luật phân bố tải trọng thì việc dụng phần mềm vào việc kiển tra bền và biến dạng sẽ đem lại kết quả chính xác hơn. b. Đề xuất chế tạo loại đầu ép cỡ lớn: Về mặt kết cấu: Như ta đã biết đầu ép đá mài ba via có kết cấu, một đầu lắp với đầu máy ép và đầu còn lại để ép đá. Đối với đầu ép cỡ lớn, về mặt kết cấu sẽ có những điểm giống đầu ép cỡ nhỏ đó là kết cấu phần đầu lắp với máy ép, đầu còn lại, tuỳ theo đường kính đá cần ép mà sẽ có kích thước lớn nhỏ khác nhau. Ở phần ứng dụng phần mềm Cosmos, để kiểm tra bền và biến dạng cho đầu ép cỡ nhỏ (đường kính đầu ép 100 mm) đã kiểm tra được hệ số an toàn là 11, như vậy nếu vẫn giữ nguyên chiều dày tấm ép và tăng đường kính đầu ép(đường kính đầu ép cỡ lớn 180) thì độ bền và độ cứng của đầu ép vẫn đảm bảo. - Qua kết quả kiểm tra ở trên ta thấy, các phần tử càng xa tâm, ứng suất càng nhỏ. Đề tiết kiệm vật liệu, khi chế tạo đầu ép, mà vẫn đảm bảo điều kiện bền và điều kiện cứng, ta có thể chế tạo đầu ép kiểu nhiều tầng. - Để kết quả kiểm tra bền và biến dạng được chính xác hơn cần phải nghiên cứu được quy luật phân bố tải trọng và phương của tải trọng trên bề mặt đầu ép. - Có biện pháp nhiệt luyện thích hợp cho đầu ép cỡ lớn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 Hình 3.2. Nhập mô hình đồ hoạ chi tiết (*.iges) vào môi trường Cosmos design. Hình 3.3a. Mô tả liên kết của chi tiết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 Hình 3.3b. Mô tả chuyển vị bị khống chế Hình 3.4a. Đặt lực vào bề mặt làm việc của chi tiết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 Hình 3.4b. Đặt lực lần lượt vào từng bề mặt làm việc của chi tiết Hình 3.5a. Chạy chương trình tạo phần tử tự động có chủ động khống chế số phần tử (kích thước mắt lưới) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 Hình 3.5b. Chạy chương trình tạo phần tử tự động Hình 3.5c. Chạy chương trình tạo phần tử tự động ở góc nhìn khác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 Hình 3.5c. Chuyển vị của các phần tử Hình 3.6. Ứng suất tại điểm nút Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 Hình 3.7. Kiểm tra điều kiện bền theo ứng suất tiếp lớn nhất Hình 3.8. Kiểm tra điều kiện bền theo ứng suất pháp lớn nhất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 Hình 3.9. Ứng suất tại điểm nút Hình 3.10. Chuyển vị các phần tử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 Hình 3.11. Trang thái biến dạng nguy hiểm Hình 3.12. Hình dạng biến dạng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Hình 3.13. Kiểm tra điều kiện bền theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất Hình 3.14. Tiêu chuẩn kiểm tra điều kiện bền theo các lý thuyết bền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Hình 3.15. Kiểm tra điều kiện bền theo thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng Hình 3.6. Ứng suất tại các nút: đơn vị kG(kgf)/cm2, tỷ lệ biến dạng 1: 2413,79. Trên bề mặt làm việc của chi tiết, tuỳ theo từng vị trí khác nhau có ứng suất khác nhau, sẽ được hiển thị phổ mầu khác nhau. Nhìn vào sự phổ mầu đó ta có thể xác định được vùng có ứng suất lớn và vùng có ứng suất nhỏ. Bên cạnh là thang phổ mầu, cũng có các mầu tương ứng với các mầu xuất hiện trên mặt chi tiết và bên cạnh là giá trị ứng suất tương ứng với mầu. Ví dụ: mầu đỏ trên thang phổ mầu tương ứng với ứng xuất lớn nhất, biểu diễn: 3,175e+002 nghĩa là 3,175 x 102 = 317,5 kG/cm2 ; mầu xanh lục trên thang phổ mầu tuơng ứng với ứng suất nhỏ nhất, biểu diễn: 1,299e+00 nghĩa là 1,299 x 100 = 1,299 kG/cm2 Hình 3.7. Kiểm tra điều kiện bền theo ứng suất tiếp lớn nhất: hệ số an toàn là 18, tỷ lệ biến dạng 1:0. Trên bề mặt làm việc của chi tiết, tuỳ theo từng vị trí khác nhau có hệ số an toàn khác nhau, sẽ được hiển thị phổ mầu khác nhau. Nhìn vào sự phổ mầu đó ta có thể xác định được vùng có hệ số an toàn nhỏ và vùng có hệ số an Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 toàn lớn. Bên cạnh là thang phổ mầu, cũng có các mầu tương ứng với các mầu xuất hiện trên mặt chi tiết và bên cạnh là giá trị hệ số an toàn tương ứng với mầu. Ví dụ: mầu đỏ trên thang phổ mầu tương ứng với hệ số an toàn nhỏ nhất, biểu diễn: 1,772e+001 nghĩa là 1,772 x 101 = 17,71 =18; mầu xanh lục tuơng ứng với hệ số an toàn lớn nhất, biểu diễn: 1,000e+002 nghĩa là 1,000 x 102 = 100 Hình 3.8. Kiểm tra điều kiện bền về ứng suất pháp lớn nhất: hệ số an toàn là 17, tỷ lệ biến dạng 1:0. Trên bề mặt làm việc của chi tiết, tuỳ theo từng vị trí khác nhau có hệ số an toàn khác nhau, sẽ được hiển thị phổ mầu khác nhau. Nhìn vào sự phổ mầu đó ta có thể xác định được vùng có hệ số an toàn nhỏ và vùng có hệ số an toàn lớn. Bên cạnh là thang phổ mầu, cũng có các mầu tương ứng với các mầu xuất hiện trên mặt chi tiết và bên cạnh là giá trị hệ số an toàn tương ứng với mầu. Ví dụ: mầu đỏ trên thang phổ mầu tương ứng với hệ số an toàn nhỏ nhất, biểu diễn: 1,676e+001 nghĩa là 1,772 x 101 = 16,76 =17; mầu xanh lục tuơng ứng với hệ số an toàn lớn nhất, biểu diễn: 1,000e+002 nghĩa là 1,000 x 102 = 100 Hình 3.10. Chuyển vị các phần tử: đơn vị cm, tỷ lệ biến dạng 1: 1641,87. Trên bề mặt làm việc của chi tiết, tuỳ theo từng vị trí khác nhau có chuyển vị khác nhau, sẽ được hiển thị phổ mầu khác nhau. Nhìn vào sự phổ mầu đó ta có thể xác định được vùng có ứng chuyển vị lớn và vùng có chuyển nhỏ. Bên cạnh là thang phổ mầu, cũng có các mầu tương ứng với các mầu xuất hiện trên mặt chi tiết và bên cạnh là giá trị chuyển vị tương ứng với mầu. Ví dụ: mầu đỏ trên thang phổ mầu tương ứng với chuyển vị lớn nhất, biểu diễn: 1,663e-002 nghĩa là 1,663 x 10-2 = 0,01663 cm = 0,1663 mm ; mầu xanh lục trên thang phổ mầu tuơng ứng với chuyển vị nhỏ nhất, biểu diễn: 1,000e-031 nghĩa là 1,000 x 10-31 cm.(chuyển vị rất nhỏ) Hình 3.12. Hình dạng biến dạng: tỷ lệ biến dạng 1: 1641,87. Hình dạng biến dạng bề mặt làm việc của chi tiết được phóng đại lên 1641,67 lần. Ta thấy càng ra mép của chi tiét mức độ biến dạng càng lớn. Hình 3.13. Kiểm tra điều kiện bền theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất: hệ số an toàn là 13, tỷ lệ biến dạng 1:0. Mầu đỏ trên thang phổ mầu tương ứng với hệ số an toàn nhỏ nhất, biểu diễn: 1,319e+001 nghĩa là 1,319 x 101 = 13,19 =13; mầu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 xanh lục tuơng ứng với hệ số an toàn lớn nhất, biểu diễn: 1,000e+002 nghĩa là 1,000 x 102 =100. Hình 3.15. Kiểm tra điều kiện bền theo thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng: hệ số an toàn là 11, tỷ lệ biến dạng 1:0. Mầu đỏ trên thang phổ mầu tương ứng với hệ số an toàn nhỏ nhất, biểu diễn: 1,143e+001 nghĩa là 1,143 x 101 = 11,43 =11; mầu xanh lục tuơng ứng với hệ số an toàn lớn nhất, biểu diễn: 1,000e+002 nghĩa là 1,000 x 102 = 100. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 Chương 4 LẬP QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT ĐẦU ÉP 4.1. Xác định dạng sản xuất. 4.1.1. Xác định sản lượng cơ khí hàng năm Ni. Sản lượng cơ khí hàng năm của chi tiết đầu ép Ni được xác định theo công thức: . . 1 . 1 , / 100 100i i N N m ct nama bæ ö æ ö= + +ç ÷ ç ÷ è ø è ø (4.1) Trong đó: N Là sản lượng kế hoạch, N = 450 chi tiết/năm, mi Là số lượng chi tiết cùng tên trong sản phẩm, mi = 1, b: Số phần trăm chi tiết được chế tạo thêm để dự trữ, b = (5 ¸ 7)%; Chọn b = 6%, a: Số phần trăm chi tiết phế phẩm, a = (3 ¸ 6)%, chọn a = 5%, Sản lượng cơ khí hàng năm của chi tiết đầu ép là: 5 6450.1. 1 . 1 500, / 100 100i N ct namæ ö æ ö= + + =ç ÷ ç ÷ è ø è ø . (4.2) 4.1.2. Xác định dạng sản xuất. Với khối lượng của một chi tiết đầu ép G = 1,2 kg và sản lượng cơ khí hàng năm Ni = 500 chi tiết/năm; Tra bảng TKĐACNCTM ta được dạng sản xuất là dạng sản xuất là đơn chiếc. Với dạng sản xuất đơn chiếc, khi lập quy trình công nghệ gia công đầu ép, ta nên chọn phương án tập trung nguyên công nhằm mục đích dễ quản lý, hạn chế chỉnh máy và hạn chế đầu tư thêm trang thiết bị kỹ thuật, đảm bảo sự cân bằng cho nhịp sản xuất. 4.2. Xác định phương pháp chế tạo phôi. 4.2.1. Cơ sở để chon phôi. Trong công nghệ chế tạo người ta thường dùng các loại phôi cán, phôi rèn, phôi dập và phôi đúc. Để chọn được phôi hợp lý ta cần căn cứ vào các yếu tố sau: - Vật liệu và cơ tính của chi tiết gia công, - Kích thước và hình dáng kết cấu của chi tiết gia công, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 - Số lượng chi tiết cần chế tạo, - Khả năng kỹ thuật của cơ sở sản xuất. Phôi được chọn hợp lý thông thường cần phải có hình dáng và kích thước càng giống chi tiết được chế tạo càng tốt. Chọn được phôi hợp lý cho phép giảm số lần chạy dao, giảm thời gian gia công và giảm sai số in dập, dẫn đến đảm bảo tốt tính năng kỹ thuật của chi tiết, làm tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm. Chọn phôi hợp lý sẽ làm cho quy trình công nghệ đơn giản hơn, làm giảm phí tổn vật liệu và chi phí gia công. Trước khi chọn phôi, để chọn được phôi hợp lý ta cần phải phân tích ưu nhược diểm, phạm vi ứng dụng của một số phương pháp chế tạo phôi. 4.2.2. Một số phương pháp chế tạo phôi. a. Phương pháp đúc. + Ưu điểm: - Cho phép đúc được các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phương pháp tạo phôi khác không hoặc khó có thể đạt được. - Có thể đúc được các chi tiết có kích thước và khối lượng rất lớn. + Nhược điểm: - Tỉ lệ phôi phế phẩm cao. - Cơ tính không đều, tổ chức hạt lớn và dòn. - Khó kiểm tra các khuyết tật bên trong. + Phạm vi sử dụng: Phôi đúc thường dùng để chế tạo các chi tiết lớn và các chi tiết làm bằng các vật liệu có tính đúc tốt. b. Phương pháp rèn. + Ưu điểm: - Thiết bị đơn giản, vốn đầu tư thấp. - Vật liệu phôi qua rèn cho cơ tính tốt, độ bền cao. + Nhược điểm: - Lương dư gia công lớn, dễ bị biến cứng lớp bề mặt do quá nhiệt, - Độ chính xác phôi phụ thuộc vào tay nghề người thợ, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 - Năng suất thấp. + Phạm vi sử dụng: Phương pháp rèn thường được sử dụng trong sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ. c. Dập nóng. + Ưu điểm: - Phôi có cơ tính cao, có hình dáng gần giống với chi tiết thành phẩm, - Phôi có chất lượng đồng đều, lượng dư gia công nhỏ, - Dễ cơ khí hoá và tự động hoá. + Nhược điểm: - Giá thành phôi cao do phải sử dụng các thiết bị lớn, phí tổn cao về chế tạo khuôn, vốn đầu tư lớn + Phạm vi sử dụng: Phương pháp dập thường sử dụng trong sản xuất loạt lớn, hàng khối. d. Phương pháp cán. + Ưu điểm: - Phôi cán có cơ tính tốt, có khả năng chịu mòn và chịu xoắn tốt, - Lượng dư gia công đều, - Năng suất cao. + Nhược điểm: Phôi cán cần có nguyên công nắn thẳng để giảm độ cong vênh. + Phạm vi sử dụng: Phương pháp cán thường sử dụng để chế tạo các chi tiết họ trục và các chi tiết dạng thanh. 4.2.3. Chọn phương pháp chế tạo phôi. Từ những phân tích trên ta thấy: + Phôi cán, đảm bảo cơ tính và khả năng chịu mòn tốt, nhưng kết cấu hình dáng không giống với chi tiết gia công. + Phôi đúc đảm bảo được kết cấu hình dáng phôi gần giống với chi tiết gia công, nhưng không đảm bảo cơ tính, và khả năng chịu mòn tốt cho chi tiết đầu ép. + Phôi dập nóng đảm bảo được kết cấu hình dáng, cơ tính và khả năng chịu mòn tốt cho chi tiết đầu ép, nhưng không thích hợp với sản xuất đơn chiếc vì giá Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 thành chế tạo phôi cao. + Phôi rèn đảm bảo được kết cấu hình dáng, cơ tính, và khả năng chịu mòn tốt cho chi tiết đầu ép, giá thành chế tạo phôi rẻ hơn phôi dập nóng. Vì vậy, để chọn được phôi hợp lý ta chọn phương pháp tạo phôi là phương pháp rèn. 105 +1 -0 38 +1 -0 Hình 4.1. Bản vẽ phôi 4.3. Chọn chuẩn. 4.3.1. Chọn chuẩn thô. Chọn chuẩn thô phải đảm bảo phân phối đủ lượng dư cho các bề mặt gia công. Chọn chuẩn thô phải đảm bảo độ chính xác về vị trí tương quan giữa các bề mặt không gia công với các bề mặt gia công. Từ các yêu cầu trên và căn cứ vào đặc điểm kết cấu của chi tiết gia công, ta chọn chuẩn thô là bề mặt f100 kết hợp với mặt đầu và như vậy chuẩn thô sẽ khống chế năm bậc tự do. 4.3.2. Chọn chuẩn tinh. Chọn chuẩn tinh phải đảm bảo phân phối đủ lượng dư gia công cho các bề mặt, đặc biệt là các bề mặt f100, f80, f16,1 và bề mặt làm việc, nhằm đảm bảo độ chính xác kích thước. Chọn chuẩn tinh phải đảm bảo quan hệ chính xác giữa các bề mặt gia công với nhau, đặc biệt là các bề mặt f100, f80, f16,1 và bề mặt làm việc. Từ các yêu cầu trên và căn cứ vào đặc điểm kết cấu của chi tiết gia công, ta chọn chuẩn tinh là bề mặt f100 kết hợp với mặt đầu và như vậy chuẩn tinh sẽ khống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 chế năm bậc tự do. Hình 4.2. Chọn chuẩn thô. Hình 4.3. Chọn chuẩn tinh. 4.4. Trình tự các nguyên công. Để lựa chọn được trình tự các nguyên công hợp lý, đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế, ta xem xét hai phương án gia công chi tiết đầu ép là: gia công trên máy công cụ truyền thống và gia công trên máy CNC. 4.4.1. Phương án 1 - Gia công trên máy công cụ truyền thống. Bề mặt lỗ f16,1, với yêu cầu về độ chính xác cao và độ bóng Ñ6 (xem hình 4.4), nếu chọn tiện tinh là biện pháp gia công lần cuối thì với đường kính bề mặt lỗ f16,1 khá nhỏ, nên để đạt được độ bóng Ñ6 thì tốc độ vòng quay trục chính rất lớn và với máy tiện thông thường sẽ không đảm bảo được yêu cầu này. Do vậy ta chọn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 Hình 4.4. Bản vẽ chi tiết đầu ép. H äc V iª n § in h Xu ©n N gä c H D KH S® Sl g TS .V ò Q § ¹c Sè tµ i l iÖ u Tr õ¬ ng § ¹i H äc K ü Th uË t C «n g N gh iÖ p Th ¸i N gu yª n Sè l• în g Tê s è : 0 1 § Çu Ð p § ¸ m µi b a vi a C h÷ k ý N gµ y ? X1 5 Tû lÖ 1: 1 Lí p C ao h äc K 8- C N C TM Tr õ¬ ng § ¹i H äc K ü Th uË t C «n g N gh iÖ p Kh èi l• în g 1, 2 kg Sè tê : 01 D D Ñ Ñ yª u c Çu k ü th u Ët 1. § é bã ng c ¸c b Ò m Æt c ßn l¹ i: Ñ 6 2. § é ®¶ o c¸ c m Æt A , B v íi ® õ¬ ng t© m c hi ti Õt £ 0 ,0 3 3. § é kh «n g ®å ng t© m g i÷ a c¸ c bÒ m Æt 80 -0 ,0 2 -0 ,0 4, 10 0- 0, 12 -0 ,1 5 vµ 16 ,1 +0 ,0 8 +0 ,0 6 £ 0 ,0 5 3. § é c« n vµ ® é « va n cñ a c¸ c bÒ m Æt 80 -0 ,0 2 -0 ,0 4, 10 0- 0, 12 -0 ,1 5 vµ 16 ,1 +0 ,0 8 +0 ,0 6 £ 0 ,0 5 4. N hi Öt lu yÖ n, th Êm c ¸c b on b Ò m Æt r¨ ng ® ¹t ® é cø ng : H R C 6 0 ¸ 62 ch iÒ u s© u lí p th Êm k h« ng n há h ¬n 0 ,3 m m Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 mài là biện pháp gia công lần cuối. Các bề mặt còn lại, với yêu cầu về độ chính xác và độ bóng như trình bầy trên bản vẽ chi tiết đầu ép, ta có thể chọn tiện tinh là biện pháp gia công lần cuối. Từ các phân tích trên ta có trình tự gia công chi tiết đầu ép như sau: + Nguyên công 1: Ủ phôi đạt độ cứng HRC25. + Nguyên công 2: Tiện mặt đầu f100; Tiện thô mặt trụ f100,4; Tiện thô mặt rãnh đồng tâm; Tiện thô đoạn cung định hình; Khoan lỗ f15,5; Tiện lỗ f16,3. + Nguyên công 3: Kiểm tra. + Nguyên công 4: Tiện thô mặt trụ f80,6; Tiện thô mặt đầu f80; Tiện thô bề mặt f75; Tiện thô mặt côn. + Nguyên công 5: Kiểm tra. + Nguyên công 6: Nhiệt luyện. + Nguyên công 7: Kiểm tra. + Nguyên công 8: Tiện tinh mặt đầu f100; Tiện tinh mặt trụ f100; Tiện tinh đoạn cung định hình; Tiện mặt rãnh đồng tâm. + Nguyên công 9: tiện tinh mặt trụ ф80, tiện tinh mặt đầu ф80, tiện tinh bề mặt ф75, tiện thô mặt côn. + Nguyên công 10: Mài lỗ f16,1. + Nguyên công 11: Kiểm tra. 4.4.2. Phương án 2 - Gia công trên máy tiện CNC. Với yêu cầu về độ bóng và độ chính xác của đầu ép ta có thể chọn tiện tinh trên máy CNC là biện pháp gia công lần cuối. Gia công trên máy CNC không sử dụng trực tiếp phôi rèn, vì vậy ta chia thành các nguyên công đó là ủ phôi, gia công bóc lớp vỏ phôi rèn trên máy công cụ truyền thống sau đó gia công trên máy CNC nhằm đảm bảo đặc tính làm việc của máy CNC. Từ các phân tích trên ta có trình tự gia công trên máy CNC như sau: + Nguyên công 1: Ủ phôi đạt độ cứng HRC25, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 + Nguyên công 2: Tiện mặt đầu f100; Tiện thô mặt trụ f100,4; Khoan lỗ f15,5; Tiện mặt đầu f100 (làm trên máy công cụ truyền thống), + Nguyên công 3: Tiện thô mặt đầu f100, tiện thô mặt trụ f100, Tiện thô rãnh đồng tâm, + Nguyên công 4: Tiện thô mặt trụ f80,6; Tiện rãnh côn; Tiện mặt đầu f80, + Nguyên công 5: Kiểm tra. + Nguyên công 6: Nhiệt luyện. + Nguyên công 7: Kiểm tra. + Nguyên công 8: Tiện tinh rãnh đồng tâm, tiện tinh mặt trụ ф100, tiện tinh lỗ ф16,1. + Nguyên công 9: Tiện tinh mặt trụ 80, tiện tinh mặt đầu ф80, tiện tinh ф76 và tiện tinh mặt côn. 4.4.3. Chọn phương án gia công và xác định trình tự nguyên công. Từ hai phương án gia công trên, ta cần phân tích làm rõ hiệu quả của từng phương pháp để chọn phương án gia công thích hợp: + Về mặt kỹ thuật: Phương án gia công trên máy CNC, máy tự động đạt kích thước gia công do đó đảm bảo được độ chính xác và độ bóng cao cho chi tiết đầu ép. Phương án gia công trên máy công cụ truyền thống thì độ bóng và độ chính xác phụ thuộc vào trình độ tay nghề của người thợ, với dạng sản xuất đơn chiếc, tập trung nguyên công, người thợ luôn phải rà gá do vậy rất khó đảm bảo được độ chính xác gia công. Ngoài ra độ chính xác bề mặt làm việc phụ thuộc nhiều vào dao định hình, thực tế đã cho thấy khi gia công chi tiết đầu ép, phế phẩm xảy ra nguyên nhân chủ yếu do hỏng các bề mặt đoạn cung nối tiếp và bề mặt các rãnh đồng tâm khi gia công bằng dao tiện định hình. + Về mặt kinh tế: Thực tế đã cho thấy, phương án gia công trên máy công cụ truyền thống, thời gian chạy máy và thời gian phụ kéo dài gấp khoảng tám đến mười hai lần so với phương án gia công trên máy CNC. Vì với phương án gia công trên máy công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 cụ truyền thống, số bước nguyên công nhiều, thường xuyên phải rà gá, thay dao và sửa dao định hình, bề mặt cung định hình và các rãnh đồng tâm rất khó gia công nên hay hỏng và phế phẩm. Do vậy tiền chi phí máy, tiền điện và tiền công thợ cao hơn so với gia công trên máy CNC. Từ những phân tích trên, để đảm bảo về tính kinh tế, tính kỹ thuật khi gia công chi tiết đầu ép ta chọn phương án gia công trên máy CNC với trình tự nguyên công như sau: + Nguyên công 1: Ủ phôi đạt độ cứng HRC25. + Nguyên công 2: Tiện mặt đầu f100; Tiện thô mặt trụ f100,4; Khoan lỗ f15,5; Tiện mặt đầu f100 (làm trên máy công cụ truyền thống). + Nguyên công 3: Tiện thô mặt đầu f100, tiện thô mặt trụ f100, Tiện thô rãnh đồng tâm. + Nguyên công 4: Tiện thô mặt trụ f80,6; Tiện rãnh côn; Tiện mặt đầu f80. + Nguyên công 5: Kiểm tra. + Nguyên công 6: Nhiệt luyện. + Nguyên công 7: Kiểm tra. + Nguyên công 8: Tiện tinh rãnh đồng tâm, tiện tinh mặt trụ ф100, tiện tinh lỗ ф16,1. + Nguyên công 9: Tiện tinh mặt trụ 80, tiện tinh mặt đầu ф80, tiện tinh ф76 và tiện tinh mặt côn. 4.5. Sơ đồ nguyên công. 1. Nguyên công 1: Ủ phôi Nung chi tiết đến nhiệt độ 750-760°C trong khoảng thời gian 20 phút, giữ nhiệt 5 phút, rồi làm nguội xuống 650-660°C trong khoảng 5 phút, giữ nhiệt 5 phút rồi lại nâng nhiệt lên 750-760°C. Tiếp tục lặp đi lặp lại hai lần nhằm xúc tiến quá trình cầu hoá xêmentít để thành peclit hạt. Sau đó ủ trong vôi bột, chi tiết sẽ đạt được độ cứng khoảng HRC25. 2. Nguyên công 2: Bước 1-Tiện mặt đầu f100; Bước 2-Tiện thô mặt trụ f100,4; Bước 3-Khoan lỗ f15,5 (làm trên máy công cụ truyền thống). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 35 40 45 50 5525 30200 Thêi gian (phót) 660°C %C 760°C 727°C Ac1 Hình 4.5. Biểu đồ ủ phôi. 3. Nguyên công 3: Tiện thô rãnh đồng tâm. 4. Nguyên công 4: Tiện thô mặt trụ f80,6; Tiện rãnh côn; Tiện mặt đầu f80. 5. Nguyên công 5: Kiểm tra. 6 .Nguyên công 6: Nhiệt luyện. - Tốc độ nung: 21 phút, - Thời gian giữ nhiệt: 6 phút, - Tốc độ tôi tới hạn: 1000C/s, Bảng 4.1. Bảng bước của nguyên công 2. Bước Máy Dao S (mm/vg) n (vg/ph) To (phút) 1 1M65 T15K6 0,8 570 0,3 2 1M65 T15K6 0,8 450 0,2 3 1M65 P18 0,3 240 0,7 4 1M65 T15K6 0,18 270 1,2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 Bảng 4 .2 . Bảng bước nguyên công 3 Bước Máy Dao S (mm/vg) n (vg/ph) To (phút) 1 CAK3635V T15K6 0,5 722 0,3 Bảng 4 .3 . Bảng bước của nguyên công 4 Bước Máy Dao S (mm/vg) n (vg/ph) To (phút) 1 CAK3635V T15K6 0,6 919 0,2 2 CAK3635V T15K6 0,3 980 0,2 7. Nguyên công 7: Kiểm tra, 8. Nguyên công 8: Tiện tinh rãnh đồng tâm, tiện tinh mặt trụ ф100, tiện tinh lỗ ф16,1 Bảng 4.4. Bảng bước của nguyên công 8 Bước Máy Dao S (mm/vg) n (vg/ph) To (phút) 1 CAK3635V T15K6 0,25 1028 0,4 2 CAK3635V T1