Thiết lập quy trình công nghệ nhiệt luyện bánh răng trụ răng thẳng Vật liệu 20Cr Độ cứng sau khi nhiệt luyện: Độ cứng bề mặt 56÷62 HRC, Độ cứng lõi 30÷40 HRC
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Qui đổi tiêu chuẩn kí hiệu vật liệu
Tiêu chuẩn TCVN JIS Γ OCT ASTM/SAE
Bản vẽ chi tiết và khối lượng
Mô đun: M = 1.5Số răng: Z = 15Góc ăn khớp: α 0
Hình 2.1: Bản vẽ chi tiết bánh răng chủ động
2.2 Xác định trọng lượng của chi tiết
V : Thể tích chi tiết (m 3 ) g : Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo chi tiết Khối lượng riêng của thép = 7,850 kG/m 3 G : khối lượng chi tiết (kG).
=> Khối lượng chi tiết bánh răng thẳng :
Đặc điểm và điều kiện làm việc của chi tiết máy, dụng cụ, cơ tính cần nhiệt luyện
3.1 Đặc điểm của chi tiết máy - Ưu điểm:
Có kích thước nhỏ gọn, khả năng truyền lực lớn, gia công khá đơn giản
Độ bền cao, ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí chế tạo
Dễ dàng thay thế cũng như lắp đặp trong hệ thống máy móc Hiệu suất làm việc của bánh răng trụ thẳng cao đặt từ 97% đến 99%
Tỉ số truyền luôn không đổi và kết hợp nhiều bộ bánh răng trụ thẳng tạo ra nhiều tỉ số truyền
Trong gia công bánh răng trụ thẳng đòi hỏi độ chính xác cao nên đòi hỏi máy móc chế tạo cần độ chính xác cao cũng như đòi hỏi tay nghề của người thợ cao.
Do 2 bánh răng trụ thẳng ăn khớp với nhau do vậy khi hoạt động ở tốc độ cao thường gây ra tiếng ồn lớn.
3.2 Điều kiện làm việc và cơ tính cần nhiệt luyện của chi tiết máy - Bánh răng phải chịu tải trọng khi vận hành ,bao gồm tải trọng hướng trục, tải trọng hướng tâm và tải trọng mô men uốn.
- Bánh răng hoạt động ở tốc độ cao.
- Làm việc với độ chính xác cao.
Để đáp ứng các điều kiện làm việc như trên, chi tiết phải đáp ứng các yêu cầu về cơ tính:
Độ cứng bề mặt: cần đạt 56 – 62 HRC vì bề mặt răng bánh răng chịu ma sát trực tiếp với nhau trong quá trình truyền động, do đó cần có độ cứng cao để chống mài mòn, giảm thiểu sự biến dạng và hư hỏng.
Độ cứng lõi: 30 – 40 HRC Nhỏ hơn độ cứng bề mặt vì lõi của bánh răng chịu ứng suất uốn và momen xoắn lớn khi vận hành nên cần độ dẻo dai (chống mỏi)
Độ bền: бb ≥ 800 N/mm 2 Chi tiết làm việc trong điều kiện chịu tải trọng khá lớn, cần tránh bị gãy vỡ hay biến dạng.
Giới hạn chảy : бc = 600 - 700 N/mm 2 Chi tiết chịu tải trọng động, với giới hạn chảy này giúp bánh răng thích nghi với điều kiện đó và giảm nguy cơ hỏng hóc, duy trì độ chính xác cao.
Độ dãn dài: δ ≤ 10 % Chi tiết cần có khả năng hấp thụ năng lượng tương đối để tránh bị gãy vỡ.
Độ dai va đập: AK = 15 - 25 J/cm 2 Chi tiết làm việc trong điều kiện có rung động và va đập, với độ dai va đập đó sẽ giảm nguy cơ hỏng hóc đáng kể.
Đặc điểm, tính chất của vật liệu đã chọn
Bánh răng trụ răng thẳng là một loại bánh răng phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng truyền động Để đảm bảo độ bền, độ cứng và khả năng chịu tải cao, các loại thép thường được sử dụng để chế tạo bánh răng trụ răng thẳng Dưới đây là một số loại thép phổ biến:
Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ gia công, độ bền tốt.
Nhược điểm: Độ cứng thấp hơn so với các loại thép khác, dễ bị mòn trong điều kiện tải trọng cao hoặc va đập.
Ưu điểm: Độ cứng cao hơn thép cacbon, khả năng chịu tải tốt, độ bền mỏi cao.
Nhược điểm: Giá thành cao hơn thép cacbon, khó gia công hơn.
Ví dụ: 20Cr, 42CrMo, 18MnCr5,
Ưu điểm: Độ cứng bề mặt cao, khả năng chịu mài mòn và chống kẹt tốt.
Nhược điểm: Giá thành cao, độ dẻo dai thấp.
Ví dụ: Nitriding steel 815M, Nitriding steel 41CrMo,
Ưu điểm: Chống ăn mòn tốt, phù hợp cho môi trường khắc nghiệt.
Nhược điểm: Giá thành cao, độ cứng thấp hơn so với các loại thép khác.
4.2 Đặc điểm của vật liệu đã chọn - Đặc điểm của thép hợp kim 20Cr:
Độ dai va đập: 10 - 15 J/cm 2
Giá thành rẻ: So với các loại thép hợp kim khác, thép 20Cr có giá thành rẻ hơn, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất
Dễ gia công: Thép 20Cr có tính dẻo tốt, dễ dàng gia công bằng các phương pháp cơ khí truyền thống như cắt, gọt, tiện, phay, bào,
Độ cứng cao: Thép 20Cr có độ cứng cao, thích hợp cho các ứng dụng chịu tải trọng và mài mòn cao
Khả năng chịu nhiệt tốt: Thép 20Cr có khả năng chịu nhiệt tốt, có thể hoạt động ở nhiệt độ cao mà không bị biến dạng hay mất đi độ cứng
Khả năng hàn tốt: Thép 20Cr có khả năng hàn tốt, dễ dàng sửa chữa và bảo dưỡng.
Độ dẻo dai thấp: So với các loại thép cacbon thấp khác, thép 20Cr có độ dẻo dai thấp hơn, dễ bị gãy vỡ khi chịu va đập mạnh
Khả năng chống ăn mòn: Thép 20Cr có khả năng chống ăn mòn trung bình, cần được bảo vệ khỏi môi trường ăn mòn bằng sơn, mạ hoặc các phương pháp khác.
Cấu trúc vi mô: Thép 20Cr ở trạng thái nguyên thủy thường có cấu trúc ferit + perlit Ferit là thành phần mềm, có độ dẻo dai cao nhưng độ cứng thấp.
Perlit là thành phần cứng, có độ cứng cao nhưng độ dẻo dai thấp Tỷ lệ ferit và perlit trong cấu trúc thép 20Cr phụ thuộc vào hàm lượng carbon và các yếu tố hợp kim.
Sau khi nhiệt luyện: Đặc điểm của thép 20Cr sau khi nhiệt luyện phụ thuộc vào phương pháp nhiệt luyện cụ thể Dưới đây là một số trường hợp phổ biến:
○ Cấu trúc vi mô: Sau khi ủ, cấu trúc vi mô của thép 20Cr trở nên đồng đều hơn, với các hạt ferit và perlit được phân bố đều đặn. o Cơ tính:
Độ cứng: Độ cứng của thép 20Cr sau khi ủ giảm xuống, thường nằm trong khoảng 110 - 160 HB.
Độ bền kéo: Độ bền kéo của thép 20Cr sau khi ủ cũng giảm xuống, thường nằm trong khoảng 400 - 600 MPa.
Độ dẻo dai: Độ dẻo dai của thép 20Cr sau khi ủ tăng lên, độ dãn dài sau khi đứt có thể đạt tới 20–25%, do cấu trúc vi mô đồng đều hơn.
○ Cấu trúc vi mô: Sau khi tôi, cấu trúc vi mô của thép 20Cr chủ yếu là martensit, đây là pha cứng và giòn. o Cơ tính:
Độ cứng: Độ cứng của thép 20Cr sau khi tôi tăng lên đáng kể, có thể đạt tới 30 - 38 HRC.
Độ bền kéo: Độ bền kéo của thép 20Cr sau khi tôi cũng tăng lên, có thể đạt tới 900 - 1100 MPa.
Độ dẻo dai: Độ dẻo dai của thép 20Cr sau khi tôi giảm xuống đáng kể, do cấu trúc vi mô giòn hơn.
Thấm Nitơ: o Cấu trúc vi mô: chủ yếu là các hạt martensit và nitơ. o Độ cứng: 56-62 HRC. o Độ bền kéo: nằm trong khoảng 1000 - 1200 MPa o Độ dẻo dai: 2-5%
Thấm Cacbon: o Cấu trúc vi mô: chủ yếu là các hạt cementit và ferit. o Độ cứng: 50-62 HRC o Độ bền kéo: nằm trong khoảng 900 – 1100 Mpa o Độ dẻo dai: 3 – 8%
○ Cấu trúc vi mô: Sau khi ram, cấu trúc vi mô của thép 20Cr gồm các hạt martensit và ferit dư, đây là pha cứng nhưng có độ dẻo dai cao hơn so với martensit. o Cơ tính:
Độ cứng: Độ cứng của thép 20Cr sau khi ram giảm xuống so với sau khi tôi, nhưng vẫn cao hơn so với trước khi nhiệt luyện.
Độ bền kéo: Độ bền kéo của thép 20Cr sau khi ram cũng giảm xuống so với sau khi tôi, nhưng vẫn cao hơn so với trước khi nhiệt luyện, thường nằm trong khoảng 800 - 900 MPa.
Độ dẻo dai: Độ dẻo dai của thép 20Cr sau khi ram tăng lên đáng kể so với sau khi tôi, do cấu trúc vi mô dẻo dai hơn.
- Thành phần hóa học Thép tròn đặc hợp kim 20Cr:
Chế tạo bánh răng: Thép 20Cr là vật liệu phổ biến để chế tạo bánh răng nhỏ, chịu tải nhẹ đến trung bình trong các hộp số, máy móc, thiết bị công nghiệp.
Trục, then, vấu: Do độ cứng và khả năng chịu tải tốt, thép 20Cr được sử dụng để chế tạo trục, then, vấu trong các máy móc, thiết bị cơ khí.
Bu lông, đai ốc: Thép 20Cr có khả năng chịu tải cao, chống mài mòn tốt, được sử dụng để chế tạo bu lông, đai ốc trong các kết cấu xây dựng, máy móc.
Dụng cụ cắt gọt: Thép 20Cr được sử dụng để chế tạo một số dụng cụ cắt gọt như dao tiện, dao phay,
5 Xây dựng sơ đồ quy trình xử lý nhiệt cho chi tiết
Từ các đặc điểm cơ tính của thép 20Cr và các yêu cầu cơ tính của chi tiết ta sử dụng các phương pháp để xử lý nhiệt cho chi tiết như sau:
- Thường hóa: Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit, giữ nhiệt và làm nguội ngoài không khí tĩnh.
Thường hóa có tác dụng như ủ nhưng cũng có một số đặc điểm khác:ng hóa có tác d ng nh nh ng cũng có m t s đ c đi m khác:ụng như ủ nhưng cũng có một số đặc điểm khác: ư ủ nhưng cũng có một số đặc điểm khác: ư ột số đặc điểm khác: ố đặc điểm khác: ặc điểm khác: ểm khác:
Lựa chọn thiết bị xử lý nhiệt cho chi tiết
Các thiết bị thông dụng như lò thấm, lò ram, lò tôi, lò ủ đã được tiêu chuẩn hoá, có thể sản xuất hàng loạt.
Quy trình nhiệt luyện của chi tiết sử dụng nhiều phương pháp (tôi, ủ, ram, thấm N, ) nên ta sẽ lựa chọn thiết bị có thể thực hiện hết các phương pháp đó để có thể tiết kiệm chi phí Dưới đây là thiết bị cần dùng trong qui trình nhiệt luyện chi tiết:
Kiểm tra Ram thấp Thường hóa
Lò giếng điện trở loại LT (LT30):
Thấm C, thấm N, thấm C-N thể khí.
- Các thông số của máy:
Kớch thước làm việc: ỉ300 ì600mm,
Nhiệt độ làm việc: max 1100 o C
Quạt cưỡng bức lưu thông khí trong lò
Dây nung 20Cr80Ni, F9 mm
- Đặc điểm của lò thấm kiểu LT:
Hiệu suất điện năng cao: Do sử dụng điện trở để gia nhiệt nên hiệu suất điện năng của lò cao hơn so với các loại lò khác như lò đốt gas hoặc dầu.
Hệ thống điều nhiệt độ, giữ nhiệt dễ dàng điều khiển theo thông số công nghệ: Nhờ cấu tạo chôn sâu trong lòng đất, lò có khả năng giữ nhiệt tốt và dễ dàng điều khiển nhiệt độ theo yêu cầu.
Thiết bị làm việc ổn định, có thể kết nối với máy tính điều khiển quy trình công nghệ: Lò được trang bị hệ thống điều khiển tự động giúp đảm bảo quy trình thấm diễn ra chính xác và hiệu quả.
Thực hiện được hầu hết các công nghệ nhiệt luyện trên cùng một thiết bị:
Lò thấm kiểu LT có thể thực hiện nhiều công nghệ nhiệt luyện khác nhau như thấm nitơ, thấm cacbon, ủ, v.v.
- Nguyên lý làm việc của thiết bị: Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra theo một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxo:
Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun(J)
I - Dòng điện tính bằng Ampe(A)
R - Điện trở tính bằng Ôm
T - thời gian tính bằng giây (S).
- Công dụng: tôi cao tần bề mặt chi tiết.
- Các thông số của máy:
Cường độ dòng điện dao động: 15 đến 60A
Tần số dao động: 25 đến 35kHZ
Kích tủ điều khiển LxWxH (mm): 700x400x600 mm
Kích thước biến thế nung LxWxH (mm): 500x350x400 mm+
- Đặc điểm của lò nung cao tần:
Thiết kế đơn giản, gọn nhẹ và dễ dàng sử dụng
Tiết kiệm thời gian một cách hiệu quả trong công việc nung nóng kim loại
Tiết kiệm điện năng tiêu thụ - Nguyên lý hoạt động: sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Nó sử dụng nguồn điện tần số cao để đi qua vật liệu vật liệu nhiệt luyện có dẫn điện và gây ra hiện tượng gia nhiệt cảm ứng.
Tính toán chế độ nhiệt cho từng nguyên công xử lý nhiệt
Theo công thức ta có:
A cm "4,4 + 992,4.C − 465,1.C 2 + 46,7 Cr+19 S C Cr −6,1.Cr 2 +7,6 Mn+ 10 Mo−6,8 Cr Mo−6,9.∋+3,7 C ∋−2,7 Cr ∋+0,8 ¿ 2 + 16,7 Si ¿ 224,4+ 992,4.0,21−465,1 0,21 2 + 46,7.0,9+ 19.0,21 0,9−6,1 0.9 2 +7,6.0,65−6,9.0,02+3,7.0,21 0,3−2,7.0,9 0,3+ 0,8 0,3 2 +16,7.0,27 ¿ 463,39 ℃
Thời gian nung: T nung = t nung v nung
tnung: nhiệt độ nung, tnung = Ac3 + ( 30 ° C ÷ 40 ℃ ¿4,94 ℃ +35 ℃ 9,94 ℃
v nung : tốc độ nung , chọn v nung 5 ℃ /h
Làm mát trong không khí.
H ình 7.1: Biểu đồ nhiệt luyện khi thường hóa.
Thời gian nung: T nung = t nung v nung
tnung: nhiệt độ nung, tnung = Ac3 + ( 50 ° C ÷ 70℃ ¿= 814,94 ℃ +60 ℃ 4,94 ℃
v nung : tốc độ nung , chọn v nung 5 ℃ /h
−→ T giữ nhiệt =0,225.T nung =¿0,225.7,61 = 1,71 (h ) Làm nguội bằng dầu (với v nguội = 250 ℃ /h)
Hình 7.2: Biểu đồ nhiệt luyện khi tôi thể tích
Thời gian nung: T nung = t nung v nung
tnung: nhiệt độ nung, chọn tnung = 200 ℃
v nung : tốc độ nung , chọn v nung 5 ℃ /h
−→ T giữ nhiệt =( 0,25÷ 0,5).1,74=¿0,35.1,74 = 0,61 (h)Làm mát trong không khí tới nhiệt độ phòng.
Hình 7.3: Biểu đồ nhiệt luyện khi ram thấp
Thấm cacbon: nung nóng đến 180°C tốc độ 30 - 50°C/h, 3 giờ, không có Cacbon, nâng nhiệt độ từ 180°C đến 800°C với tốc độ 50°C/h, cho Cacbon monoxit vào trong khoảng 12 giờ, ấp suất Cacbon monoxit 40 – 60 mm cột nước Thấm Cacbon: nung nóng từ 900°C – 950°C trong 2 - 4 giờ Làm nguội với tốc độ 30°C/h, đến 600°C và làm nguội từ 600°C đến nhiệt độ phòng với tốc độ 10°C/h, không có khí Cacbon monoxit.
Hình 7.4: Biểu đồ nhiệt luyện khi thấm Cacbon
Thời gian nung: T nung = t nung v nung
tnung: nhiệt độ nung, tnung = Ac3 + (30 – 50) °C = 814,94 + 40 = 854,94 °C
v nung : tốc độ nung , chọn v nung 0 ℃ / phút
Làm mát trong môi trường dầu nóng 60 – 80 °C nhằm hạn chế cong vênh và nứt đồng thời đảm bảo tôi thấu chi tiết. Đ thu đểm khác: ược vấn đề này ổ chức mactenxit và tránh tạo ra ứng suất dư ta cần chúc t ch c mactenxit và tránh t o ra ng su t d ta c n chúứng quá thấp, phoi sẽ ạo ra ứng suất dư ta cần chú ứng quá thấp, phoi sẽ ấp, phoi sẽ ư ần ≤ 0,25% nếu ủ độ cứng quá thấp, phoi sẽ ý là trong kho ng 550 ÷ 650 đ C nên làm ngu i nhanh và 200 ÷ 300 đ Cảng 0,8 - 1,2%C) có độ cứng, độ bền cao Thấm cacbon là phương ột số đặc điểm khác: ột số đặc điểm khác: ột số đặc điểm khác: nên làm ngu n ch m.ột số đặc điểm khác: ậm.
Hình 7.5: Biểu đồ nhiệt khi tôi cao tần
Kiểm tra: đảm bảo yêu cầu về độ cứng bề mặt và lõi của chi tiết bánh răng chủ động.
Ta có biểu đồ tổng hợp các nguyên công nhiệt luyện như sau:
Hình 7.6: Biểu đồ tổng hợp
Ram thấp Ram thấp Tôi cao tần Tôi thể tích Thường hóa
Lập phiếu công nghệ
Sau khi tìm hiểu, lập quy trình, tính toán chế độ nhiệt luyện để xử lý nhiệt cho chi tiết bánh răng chủ động ta có phiếu công nghệ như sau:
Bánh răng chủ động Ký hiệu
Vật liệu Thép Yêu cầu kĩ thuật : sau nhiệt luyện đạt độ cứng
Nung đến Làm nguội đến
Lò LT30 115 859.7 1.61 Không khí phòn g
2 Kiểm tra TIII Yêu cầu độ cứng 19 – 23 HRC
3 Làm sạch Tẩy gỉ, dầu mỡ
7 Kiểm tra TK2 Yêu cầu độ cứng của chi tiết 30 – 40 HRC
10 Kiểm tra IIH32 Yêu cầu độ cứng bề mặt chi tiết đạt 56 – 62
PH NẦN II: K T LU N VÀ BÀI H C KINH NGHI MẾT LUẬN VÀ BÀI HỌC KINH NGHIỆM ẬN VÀ BÀI HỌC KINH NGHIỆM ỌC KINH NGHIỆM ỆM
Sau một thời gian làm việc tập trung, khẩn trương dưới sự hướng dẫn chỉ bảo của các thầy giáo trong bộ môn, đặc biệt là thầy giáo đến nay bài tập lớn của nhóm em đã hoàn thành đúng thời hạn đảm bảo các nhiệm vụ được giao.
Qua quá trình làm bài tập lớn đã giúp chúng em làm quen với những công việc cụ thể của người kỹ sư cơ khí trong tương lai, phương pháp làm việc độc lập, sáng tạo, khoa học, kỷ luật, đồng thời đồ án đã giúp bản thân tôi củng cố thêm các kiến thức đã được học cũng như học hỏi được nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu như sau :
1 Những kiến thức và kỹ năng được thông qua trong bài tập lớn
Kiến thức - Kiến thức nhiệt luyện cơ bản - Thép 20Cr ( đặc tính, đặc điểm, cơ tính, tính chất ) - Quy trình nhiệt luyện
- Các công thức trong các quá trình - Đọc và vẽ bản vẽ
Kỹ năng - Kỹ năng làm việc nhóm( phân chia công việc và thảo luận) - Kỹ năng cha và tìm kiếm tài liệu
- Kỹ năng quản lý thời gian làm việc - Kỹ năng thuyết trình phản biện 2 Các chuẩn đầu ra cho bài tập lớn:
Lập luận kỹ thuật và giải quyết vấn đề - Khả năng phân tích và đánh giá vật liệu kỹ thuật.
- Khả năng mô hình hóa và tính toán.
- Khả năng phát hiện và định hình công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu.
- Khả năng đề xuất các giải pháp và khuyến nghị.
Nghiên cứu- Có năng lực thiết kế, xây dựng và triển khai thí nghiệm, thực nghiệm; phân tích, xử lý kết quả của quá trình để xác định các đặc tính, cấu trúc của vật liệu và tìm kiếm giải pháp kỹ thuật.
Làm việc nhóm - Có khả năng tổ chức nhóm làm việc hiệu quả, có thể đóng vai trò trưởng nhóm hay tham gia như những thành viên trong các nhóm
Triển khai - Có khả năng lập kế hoạch và triển khai các nhiệm vụ tư vấn, thiết kế qui trình công nghệ chế tạo vật liệu; tổ chức và thực hiện các công việc.
3 Kinh nghiệm sau kinh làm bài tập nhóm Sau khi hoàn thành bài tập lớn chúng em rút ra một số kinh nghiệm như sau:
- Đầu tiên phải chuẩn bị kiến thức thật tốt đối với môn học - Cần phải tìm hiểu rõ chủ đề và dụng cụ cần làm
- Trong thời gian làm bài tập lớn phải chịu khó tìm đọc các tài liệu về môn học, khi tham khảo phải biết chọn lọc và ứng dụng một cách sáng tạo vào đề tài của mình
- Khi bài tập vào bế tắc phải trao đổi với bạn bè trong nhóm hoặc ngoài nhóm cần thiết phải hỏi giảng viên
- Các thành viên trong nhóm luôn sôi nổi trao đổi ý kiến để bài tập trở lên chính xác, hạn chế các sai sót trong quá trình làm bài.
Chúng em sẽ áp dụng những kinh nghiệm này vào những bài tập lớn tiếp theo trong quá trình học ở trường.
