TỔNG QUAN
Giới thiệu về đề tài
• Tên tiếng Việt: Nghiên cứu và tính toán thực nghiệm mối ghép có độ dôi giữa thép và kim loại màu;
• Tên tiếng Anh: Calculation study and experimental research of interference fit between steel and non-ferrous alloy parts;
• Từ khóa: Mối ghép độ dôi; thép và hợp kim màu; tính toán thực nghiệm
1.1.2 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu các yếu tố liên quan bề mặt ghép (cụ thể thông qua giá trị độ nhám bề mặt), xem xét ảnh hưởng của những yếu tố này đến khả năng tải và các đặc trưng khác của mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim của đồng với kẽm (đồng thau)
• Nghiên cứu tổng quát về mối ghép có độ dôi, tìm hiểu những kết quả khoa học đã được thực hiện về vấn đề cải thiện khả năng làm việc của mối ghép có độ dôi;
• Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến chất lượng bề mặt và những tác động từ yếu tố này đến khả năng tải của mối ghép có độ dôi;
• Thực nghiệm và phân tích đặc trưng của bề mặt ghép trong trường hợp mối ghép có độ dôi giữa thép và đồng thau
• Mối ghép có độ dôi có bề mặt trơn, bề mặt ghép hình trụ, cụ thể giữa một chi tiết trục và một chi tiết bạc;
• Chi tiết trục là trục đặc có d1 = 0 mm;
• Cặp vật liệu giữa trục thép C45 và bạc đồng thau C2680;
• Giá trị tải dọc trục tới hạn;
• Giá trị độ nhám bề mặt ghép
Hiện nay, việc thiết kế chế tạo các chi tiết máy, các hệ thống cơ khí đều được nghiên cứu ứng dụng tự động hóa Điều này đặt ra vô vàn bài toán tối ưu cho các chuyên gia kỹ thuật, từ các giải pháp giúp tiết kiệm chi phí cho đến các giải pháp rút ngắn thời gian sản xuất
Trong đó, việc chọn ra những phương án lắp ghép phù hợp cho các cấu kiện, lắp ghép giữa các khâu trong hệ thống đóng vai trò rất quan trọng Tuy nhiên, các phương pháp lắp ghép, liên kết chi tiết máy thông dụng như sử dụng then, chốt hoặc mối ghép ren, thường đi kèm những yêu cầu kỹ thuật phức tạp làm tăng chi phí và kéo dài thời gian sản xuất
Mối ghép có độ dôi (hay còn gọi là mối ghép chặt) là một trong những phương án lắp ghép thay thế được ứng dụng rộng rãi Loại liên kết này hoạt động dựa trên nguyên lý về biến dạng đàn hồi của vật liệu, cụ thể phụ thuộc vào giá trị chênh lệch giữa đường kính thực tế giữa các bề mặt lắp ghép Đặc biệt, mối ghép có độ dôi không yêu cầu thêm chi tiết phụ như then, chốt, ưu điểm này giúp tối ưu được kích thước và thời gian sản xuất tại các vị trí ghép trong hệ thống cơ khí Từ những lý do trên, có thể nhận thấy nhu cầu thực tế đối với những nghiên cứu về mối ghép có độ dôi là rất lớn
Nghiên cứu đối với mối ghép có độ dôi chủ yếu bao quát về những nguyên lý thiết kế mối ghép, cũng như những yếu tố tác động đến khả năng làm việc của mối ghép Cơ bản nhất liên quan đến các thông số hình học chi tiết ghép, các thông số vật liệu dùng để chế tạo, điều kiện làm việc và phương pháp lắp ghép
Hiện trạng các nghiên cứu khoa học liên quan đến mối ghép độ dôi đang chú trọng vào cải thiện khả năng làm việc thông qua cải thiện chất lượng bề mặt ghép, tối ưu các thông số thiết kế và lựa chọn phương án lắp ghép phù hợp nhất Từ đây, mục đích nghiên cứu của đề tài cũng được hình thành
1.1.6 Tính khoa học và ứng dụng Đề tài nghiên cứu về phương pháp tính toán, thiết kế và thực nghiệm những yếu tố tác động đến mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim màu, cụ thể là đồng thau Đề tài bổ sung được một số phân tích thực nghiệm xét cho cặp vật liệu thép-đồng thau vào cơ sở những nghiên cứu đã có trong nước và quốc tế
Một trong những đóng góp chính của đề tài là việc xác định được giá trị độ dôi tương đối và hằng số mối ghép cho trường hợp giữa thép và đồng thau.
Lập kế hoạch nghiên cứu
1.2.1 Xác định các nội dung cần thực hiện
Nội dung 1: Lập kế hoạch;
Nội dung 2: Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết tính toán mối ghép có độ dôi và các vấnđề liên quan;
Nội dung 3: Nghiên cứu, thực nghiệm và phân tích đặc trưng mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau;
Nội dung 4: Viết báo cáo và thuyết minh đề tài nghiên cứu
1.2.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của từng nội dung
Nội dung 1: Lập kế hoạch
• Mục tiêu nội dung 1: Xác định cụ thể các công việc cần hoàn thành trong quá trình nghiên cứu, phân bổ tài nguyên phù hợp và đưa ra lịch trình làm việc cụ thể
• Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Bảng kế hoạch thực hiện theo tuần cho từng nội dung nghiên cứu
• Công việc thực hiện: Đánh giá các yêu cầu của đề tài; đặt ra những nội dung sơ bộ cần thực hiện; phân bố tài nguyên thích hợp cho lịch trình thực hiện dựa trên khoảng thời gian cho phép thực hiện Luận văn theo quy định
• Phương pháp: Khảo sát và tổng hợp
Nội dung 2: Giới thiệu về mối ghép có độ dôi và các vấn đề liên quan
• Mục tiêu nội dung 2: Tổng hợp cơ sở lý thuyết mối ghép có độ dôi
• Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Nội dung tập hợp các công trình nghiên cứu đã công bố quốc tế và trong nước liên quan đến đề tài
• Công việc thực hiện: Tìm và chọn lọc các tài liệu thông qua các nguồn tài liệu có uy tín; trình bày nội dung các thông số ảnh hưởng và các yếu tố liên quan đến mối ghép có độ dôi
• Phương pháp: Khảo sát và tổng hợp
Nội dung 3: Nghiên cứu, thực nghiệm và phân tích đặc trưng mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau
• Mục tiêu nội dung 3: Xác định đặc trưng của mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau
• Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Kết quả phân tích thực nghiệm cùng bộ mẫu chi tiết ghép giữa thép-đồng thau
• Công việc thực hiện: Tổng hợp nội dung nghiên cứu đã có về đặc trưng của mối ghép có độ dôi giữa thép-hợp kim màu; phân tích sự khác nhau giữa cặp vật liệu thép-đồng thau và thép-thép; đặt ra vấn đề nghiên cứu cần thiết cho cặp vật liệu giữa thép-đồng thau; phân tích kết quả thực nghiệm và đưa ra kết luận
• Phương pháp: Khảo sát, thực nghiệm, phân tích và tổng hợp
Nội dung 4: Viết báo cáo và thuyết minh đề tài nghiên cứu
• Mục tiêu nội dung 4: Hoàn thành báo cáo và thuyết minh của đề tài
• Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Báo cáo tổng kết đề tài; bài báo khoa học đăng tạp chí và hội nghị
• Công việc thực hiện: Tổng hợp các kết quả phân tích thực nghiệm; hệ thống các nội dung dự kiến báo cáo; viết báo cáo và thuyết minh đề tài; tổng hợp nội dung các bài báo khoa học
• Phương pháp: Phân tích và tổng hợp
1.2.3 Xác định nhiệm vụ và bảng kế hoạch
Xác định những nhiệm vụ cụ thể với các nội dung đã tổng hợp sơ bộ, bao gồm:
• Nhiệm vụ 1: Lập kế hoạch;
• Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu lý thuyết;
• Nhiệm vụ 3: Thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau;
• Nhiệm vụ 4: Phân tích kết quả thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau;
• Nhiệm vụ 5: Tổng hợp nội dung đặc trưng mối ghép thép-đồng thau;
• Nhiệm vụ 6: Báo cáo đề tài
Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện từng nhiệm vụ của Luận văn
Học viên thực hiện: Lâm Vĩ Phong
GVHD: PGS TS Nguyễn Hữu Lộc
3 Thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau
Phân tích kết quả thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau
5 Tổng hợp nội dung đặc trưng mối ghép thép-đồng thau
Tổng quan tài liệu
Những nghiên cứu về mối ghép có độ dôi từ trước đến nay thường tập trung vào cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế mối ghép, đồng thời kết hợp một số phân tích thực nghiệm nhằm đưa ra những nhận xét, giải pháp kỹ thuật giúp nâng cao khả năng làm việc của mối ghép
Theo Timoshenko và Goodier, cơ sở của mối ghép có độ dôi xuất phát từ bài toán ống dày, dựa trên lý thuyết đàn hồi của vật liệu [1] Lý thuyết này đặt ra nền móng xây dựng hầu hết các tiêu chuẩn tính toán, lựa chọn mối ghép có độ dôi như DIN 7190-1 [2], hay tương ứng ISO 286-1 [3]
Về cơ bản, các tiêu chuẩn như DIN 7190-1 [2] nêu ra hàng loạt các lý thuyết tính toán đã được kiểm chứng, cùng những yếu tố ảnh hưởng đến kết quả tính toán, cụ thể như giá trị độ nhám bề mặt ghép của các chi tiết và ngoài ra xem xét một số vấn đề liên quan đến ứng suất sinh ra trong mối ghép Tuy nhiên, lý thuyết được dùng nhiều hơn cả từ tiêu chuẩn DIN 7190-1 có liên quan đến lý thuyết đàn hồi của bài toán ống dày, rõ ràng hơn thông qua phương pháp min-max để xác định dung sai mối ghép có độ dôi
Khả năng tải của mối ghép có độ dôi được thể hiện qua giá trị áp suất tiếp xúc sinh ra trên bề mặt ghép [1], nhưng để đo trực tiếp giá trị này trong thực tế vô cùng khó khăn Vì thế, giá trị này thường được đánh giá một cách gián tiếp thông qua việc xác định giá trị lực tháo dọc trục hay mô-men tháo tới hạn G M Yang và đồng sự đã đưa ra một hướng dự đoán khả năng tải của mối ghép có độ dôi có độ chính xác cao hơn các tiêu chuẩn tính tại thời điểm đó, cụ thể thông qua việc xác định chính xác những phần thất thoát độ dôi phụ thuộc vào độ nhám bề mặt chi tiết ghép, kết hợp lượng thất thoát do biến dạng dẻo của những phần nhấp nhô trên bề mặt ghép [4, 5] Ngoài ra, một nghiên cứu khác của nhóm tác giả M D McMillan đã đưa ra các kết luận liên quan đến giới hạn làm việc của mối ghép có độ dôi khi xét nhiều chịu tải khác nhau [6] Đi sâu hơn vào phân tích thực nghiệm, những công trình nghiên cứu đã có thường tập trung vào xem xét các yếu tố tính toán thiết kế và vấn đề ảnh hưởng đến khả năng làm việc thực tế của mối ghép, hướng đến cải thiện những vấn đề này thông qua phát triển các giải pháp kỹ thuật Trong số những nội dung đó, Booker và các đồng sự đã chỉ ra tác động của hệ số ma sát đến giá trị áp suất tiếp xúc tại bề mặt ghép là rất lớn [7] Tuy vậy, với tính toán thông dụng người thiết kế thường chọn hệ số ma sát theo các giá trị chuẩn Trong khi đó, các nghiên cứu thực tế đã chứng minh hệ số ma sát đối với những trường hợp mối ghép chịu tải khác nhau, thông số hình dạng, kích thước khác nhau sẽ cho ra những giá trị khác nhau [8]
Xét ở góc nhìn rộng hơn, có thể nói chất lượng bề mặt ghép của chi tiết ghép đóng vai trò không nhỏ trong việc quyết định đặc tính của mối ghép có độ dôi Nội dung nghiên cứu này phần lớn xoay quanh phân tích những thay đổi về giá trị độ nhám bề mặt ghép, xác định ảnh hưởng của giá trị này đến khả năng tải của mối ghép [9], rút ra các kết luận với mục tiêu cải thiện khả năng làm việc của mối ghép có độ dôi [10] Một phần nhiều các đề tài nghiên cứu liên quan bề mặt ghép hướng đến những thay đổi vi mô của những phần nhấp nhô bề mặt, yếu tố đặc trưng bởi phương pháp gia công và vật liệu chế tạo chi tiết ghép, đặc biệt tập trung chủ yếu phân tích những sự khác biệt xuất hiện giữa trước và sau khi ghép Theo nhóm tác giả Ramamoorthy và Radhakrishnan, hiện tượng thay đổi về giá trị độ nhám bề mặt xuất phát từ sự san phẳng của những phần vật liệu nhấp nhô, hệ quả từ việc hai bề mặt vật liệu tiếp xúc nhau dưới một áp lực lớn [11]
Khả năng làm việc và đặc tính của mối ghép có độ dôi còn được quyết định bởi các thông số kích thước, hình dáng của chi tiết ghép Xét sự sai lệch về các thông số hình học đến đặc trưng của mối ghép, ta có thể thấy tồn tại những tác động đáng kể đến đặc trưng của mối ghép, khiến cho hiệu quả làm việc của mối ghép không đạt yêu cầu kỹ thuật A P Raj và các đồng sự đã đưa ra kết luận tổng hợp về những ảnh hưởng của sai lệch về độ tròn, độ trụ của chi tiết ghép đến khả năng tải dọc trục của mối ghép có độ dôi [12] Hay nghiên cứu của Zimmerman về tác động của bề mặt ghép dạng côn đến khả năng làm việc của mối ghép, khi xét cùng ở một mức độ dôi so với những mối ghép có bề mặt ghép dạng trụ chuẩn thông thường [13]
Những yếu tố tác động khác như đặc tính cặp vật liệu chế tạo chi tiết ghép, yêu cầu kỹ thuật về khả năng tải, môi trường làm việc đều có một số nghiên cứu nhất định cho các trường hợp tổng quát [14] Tuy mức độ phổ biến và tầm quan trọng của những nội dung nghiên cứu về mối ghép có độ dôi rất cao, nhưng ở nước ta các nghiên cứu chuyên sâu không nhiều, chủ yếu xuất hiện trong các tài liệu về chi tiết máy và dung sai đo lường.
Những vấn đề còn tồn đọng trong nghiên cứu
Những nghiên cứu hiện có về vấn đề mối ghép có độ dôi thường chỉ xét trường hợp cặp vật liệu giữa thép-thép, tuy nhiên loại liên kết này ngày càng được ứng dụng dưới những trường hợp cặp vật liệu giữa thép-hợp kim màu, hoặc giữa hợp kim màu- hợp kim màu Chính vì thế, cần có những nghiên cứu mở rộng hơn để xét các trường hợp này, củng cố nền tảng kiến thức đã có về mối ghép có độ dôi
Trước hết, xét các tiêu chuẩn tính toán, thiết kế mối ghép độ dôi như DIN 7190-
1 [2], hay tương ứng ISO 286-1 [3] ta thấy những hằng số thường được xét chung cho tất cả các trường hợp cặp vật liệu, việc này vô tình khiến cho kết quả tính toán, thiết kế mối ghép ở một số trường hợp là không hoàn toàn phù hợp Tương tự điều này, khi xét vấn đề nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố bề mặt ghép và khả năng tải của mối ghép có độ dôi [4–13], các nghiên cứu chỉ tập trung vào cặp vật liệu ghép cơ bản thép-thép, dẫn đến một khoảng trống nghiên cứu lớn cho các trường hợp cặp vật liệu ghép khác như giữa thép-hợp kim màu, giữa hợp kim màu-hợp kim màu, hoặc kết hợp các vật liệu phi kim loại Những thiếu xót này ảnh hưởng lớn đến quá trình tính toán thiết kế, từ đó giới hạn phạm vi ứng dụng của mối ghép có độ dôi.
Kết luận Chương 1
Từ những khoảng trống trong nghiên cứu đã xác định ở phần trên, một lần nữa kết luận được các vấn đề nghiên cứu mà đề tài cần tập trung giải quyết bao gồm:
• Nghiên cứu lý thuyết về tính toán lựa chọn dung sai mối ghép có độ dôi, đặc trưng độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá ứng suất biến dạng, đánh giả khả năng tải chung của mối ghép có độ dôi
• Nghiên cứu, thực nghiệm và phân tích đặc trưng liên quan đến yếu tố bề mặt đối với mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau: Chỉ ra được sự khác biệt giữa mối ghép thép-đồng thau so với các nghiên cứu trước đây giữa thép-thép
• Xác định giá trị độ dôi tương đối và hằng số mối ghép cho trường hợp mối ghép độ dôi giữa thép-đồng thau.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tính toán mối ghép có độ dôi
Các chi tiết trong một hệ thống cơ khí thường được liên kết với nhau cố định (bu-lông và đai ốc) hoặc dịch chuyển tương đối (pít-tông di chuyển trong xy-lanh), hay còn được gọi là các mối ghép Bề mặt ghép trong mối ghép là bề mặt các chi tiết tác động qua lại với nhau, cơ bản nhất gồm bề mặt bao bên ngoài và bề mặt bị bao bên trong (Hình 2.1 Mối ghép bề mặt trơn cơ bản)
Hình 2.1 Mối ghép bề mặt trơn cơ bản
(Trái) – Mối ghép trục-bạc; (Phải) – Mối ghép rãnh trượt Ở mối ghép trục-bạc, bề mặt chi tiết trục (1) là bề mặt bị bao và bề mặt bạc (2) là bề mặt bao, với mối ghép rãnh trượt tương ứng ta có bề mặt bị bao là bề mặt con trượt (1) và bề mặt bao là bề mặt rãnh trượt (2) Đối với mối ghép trục-bạc có bề mặt ghép hình trụ, bề mặt bao được ký hiệu là D và bề mặt bị bao là d Tương ứng với mối ghép rãnh trượt, ta có B và b Kích thước danh nghĩa của mối ghép là chung cho cả bề mặt bao và bề mặt bị bao, ta có: D N = d N (hay B N = b N )
Tính chất của mối ghép bề mặt trơn được quyết định bởi hiệu số kích thước bề mặt bao và bề mặt bị bao Nếu hiệu số này có giá trị dương (D – d > 0) mối ghép sẽ có độ hở, còn được gọi là mối ghép lỏng, nếu hiệu số có giá trị âm (D – d < 0) mối ghép có độ dôi (hay còn được gọi là mối ghép chặt)
2.1.2 Đặc trưng mối ghép có độ dôi
Trong mối ghép có độ dôi, kích thước bề mặt bao luôn nhỏ hơn kích thước bề mặt bị bao, nhằm đảm bảo được mối ghép luôn có độ dôi (Hình 2.2 Mô hình mối ghép có độ dôi cơ bản) với độ dôi của mối ghép được ký hiệu δ và được xác định như sau:
Hình 2.2 Mô hình mối ghép có độ dôi cơ bản
Các thông số cơ bản của một mối ghép có độ dôi bao gồm: Độ dôi lớn nhất δ max =d max −D min =es EI− (2.2) Độ dôi nhỏ nhất δ min =d min −D max = −ei ES (2.3) Độ dôi trung bình
Dung sai độ dôi T δ =δ max −δ min =T D +T d (2.5)
Cơ sở mối ghép có độ dôi dựa trên lý thuyết về sức bền vật liệu, cụ thể là bài toán ống dày xuất phát từ lý thuyết đàn hồi theo Timoshenko và Goodier [1] Ưu điểm chính của mối ghép có độ dôi đến từ việc không cần các loại then, chốt, nên độ bền mối ghép được cải thiện và kích thước các chi tiết ghép được tối ưu Các ứng suất sinh ra trên bề mặt ghép có thể xét dưới dạng ứng suất phẳng, gồm hai ứng suất cơ bản:
• Ứng suất tiếp (Tangential stress) – σ t : Ứng suất trên phương tiếp tuyến của đường kính đang xét;
• Ứng suất pháp (Radial stress) – σ r : Ứng suất trên phương bán kính của đường kính đang xét
Tương tự các liên kết cơ khí khác, đặc trưng của mối ghép độ dôi được thể hiện qua yếu tố khả năng tải và phụ thuộc vào một số yếu tố kỹ thuật:
• Các thông số kích thước, hình dạng: Xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật và thiết kế của mối ghép có độ dôi mà các thông số hình học thay đổi, dẫn đến giá trị độ dôi thực tế và khả năng tải thay đổi;
• Ma sát: Cụ thể là tình trạng tiếp xúc tại bề mặt ghép, thể hiện qua giá trị hệ số ma sát, phụ thuộc vào cặp vật liệu được chọn và điều kiện bôi trơn tại bề mặt ghép;
• Chất lượng bề mặt: Tình trạng bề mặt chi tiết ghép sau khi gia công, thể hiện qua giá trị độ nhám bề mặt, được quyết định một phần bởi chất lượng phôi ban đầu (sự tồn tại của bọt khí, mật độ vật liệu) và việc công nghệ gia công chi tiết;
• Điều kiện tải tác động: Mối ghép có độ dôi được ứng dụng để chịu tải dọc trục, mô-men xoắn và đôi khi đồng thời cả hai tác động Tùy vào trường hợp cường độ, tính chất của tải tác động mà đặc trưng mối ghép sẽ khác nhau;
• Phương pháp lắp ghép: Phương pháp nung nóng-làm lạnh và phương pháp ép là hai phương pháp lắp ghép phổ biến nhất Trong đó, mỗi phương pháp có những ảnh hưởng nhất định đến các yếu tố khác của mối ghép Cụ thể phương pháp nung nóng-làm lạnh sẽ nung nóng chi tiết bao hoặc làm lạnh chi tiết bị bao, trong những trường hợp giá trị độ dôi lớn cả hai chi tiết sẽ được tác dụng nhiệt tương ứng Chính từ những tác dụng nhiệt này, một số cơ tính của chi tiết ghép sẽ bị thay đổi nếu tính toán khi lắp ghép thiếu chính xác Đối với phương pháp ép sẽ thường thông qua những hệ thống ép thủy lực, khi ép các yếu tố vi mô trên bề mặt ghép sẽ chịu những tác động nhất định dẫn đến những thay đổi không mong muốn
2.1.3 Tính toán lựa chọn dung sai mối ghép theo yêu cầu kỹ thuật về khả năng tải
Khi tiến hành lựa chọn mối ghép có độ dôi cần phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cơ bản nhất:
• Đảm bảo độ bền mối ghép: Giữa các chi tiết không được xuất hiện sự dịch chuyển tương đối khi chịu tác dụng của ngoại lực, đồng nghĩa với việc giá trị độ dôi luôn cần phải duy trì ở mức một giá trị nhỏ nhất [δ pmin ];
• Đảm bảo độ bền chi tiết ghép: Ứng suất sinh ra trên bề mặt ghép không được vượt quá ứng suất giới hạn của vật liệu chế tạo chi tiết ghép, đồng nghĩa với việc giá trị độ dôi cần được duy trì ở một giá trị lớn nhất [δ pmax ]
Hình 2.3 Sơ đồ thông số hình học cơ bản của mối ghép có độ dôi
Quá trình tính toán, lựa chọn dung sai mối ghép có độ dôi thường bao gồm những thông số hình học cơ bản (Hình 2.3) và được tiến hành theo các bước sau [2, 3]:
Đặc tính ứng suất và biến dạng của cặp vật liệu thép-đồng thau
Về cơ bản, những cặp vật liệu khác nhau sẽ có những đặc trưng ứng suất-biến dạng riêng, nhưng thường tuân theo các đặc tính cơ học của vật liệu Như việc chi tiết được chế tạo từ vật liệu có cơ tính thấp hơn sẽ biến dạng nhiều hơn và ngược lại Ở đây, bài Luận văn sẽ tiến hành mô phỏng phần tử hữu hạn một ví dụ mối ghép có độ dôi cho hai cặp vật liệu khác nhau, so sánh giữa thép-thép và thép-đồng thau
Mô hình hai chiều của mối ghép được xây dựng có đường kính danh nghĩa d N = 30 mm, trục đặc, đường kính ngoài chi tiết bạc d 2 = 50 mm Vật liệu được chọn là thép C45 và đồng thau C2680 Độ dôi trung bình của mối ghép là δ = 50 μm, độ nhám bề mặt trục và bạc lần lượt là Ra0.8 và Ra 1.6
Với các cơ sở thiết kế, lựa chọn dung sai mối ghép và xác định ứng suất-biến dạng đã trình bày, ta có thể thực hiện được các tính toán cơ bản kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn với các thông số mối ghép giả định vừa liệt kê (Bảng 2.6 và Hình 2.5)
Bảng 2.6 So sánh kết quả ứng suất và biến dạng
Mô phỏng Tính toán đại số Thép-thép Ứng suất pháp [MPa] [MPa] [%]
Bạc – σ r II r = r N -96.958 -98.5285 +1.59% r = r 2 -0.0128 0 – Ứng suất tiếp [MPa] [MPa] [%]
Thép-đồng thau Ứng suất pháp [MPa] [MPa] [%]
Bạc – σ r II r = r N -57.748 -56.664 -1.91% r = r 2 0.2137 0 – Ứng suất tiếp [MPa] [MPa] [%]
Hình 2.5 Kết quả mô phỏng ứng suất và biến dạng tại bề mặt ghép cho cặp vật liệu a – thép-thép; b – thép-đồng thau
Kết quả mô phỏng cho thấy giữa cặp vật liệu thép-thép và thép-đồng thau có sự khác biệt rất rõ rệt Cụ thể, ứng suất sinh ra trên bề mặt chi tiết ghép của cặp vật liệu thép-đồng thau thấp hơn khoảng 40% so với cặp vật liệu thép-thép
Những khác biệt về đặc trưng bề mặt ghép và các hằng số đặc trưng cho tính toán thiết kế cần phải được rút ra từ kết quả thực nghiệm của các phần tiếp theo trong bài Luận văn này.
Chất lượng bề mặt chi tiết ghép trong mối ghép có độ dôi
2.3.1 Tổng quan về chất lượng bề mặt ghép và độ nhám bề mặt
Sự quan tâm về chất lượng bề mặt đang dần được nâng cao trong hầu hết các lĩnh vực công nghệ như công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng hay trong các ngành kỹ thuật về ma sát, ăn mòn, công nghệ sinh học, y học và trong sản xuất về luyện kim, điện tử Chất lượng bề mặt không còn là một phần nhỏ của một vài chuyên ngành cố định, thực tế cho thấy rất ít những lĩnh vực công nghệ mà trong đó tác động của chất lượng bề mặt được đánh giá là không quan trọng
Hiện nay, các bề mặt sản phẩm đều được thiết kế với kỳ vọng đáp ứng được yêu cầu về chức năng và cả về mặt thẩm mỹ Chẳng hạn như những bề mặt được ứng dụng trong trưng bày thực phẩm hay trong các cơ sở khám, chữa bệnh thường có độ nhẵn bóng cao, chúng thể hiện được yếu tố thẩm mỹ, tạo ấn tượng về sự sạch sẽ, thể hiện giá trị của một dịch vụ chất lượng cao Khách hàng thường sẽ nhìn vào sự hoàn thiện bóng bẩy này để đánh giá, lựa chọn sản phẩm, dù cho chúng không thực sự trực tiếp phản ánh giá trị cốt lõi của sản phẩm
Trong phạm vi đề tài, tập trung vào nghiên cứu phân tích khía cạnh về chức năng, khả năng công nghệ của chất lượng bề mặt chi tiết Để đánh giá chất lượng một bề mặt trong kỹ thuật, ngoài việc quan sát trực quan về độ bóng ta có thể xem xét các giá trị số học Đặc trưng của một bề mặt có thể được thể hiện thông qua ba thông số chính, gồm chiều nhám bề mặt, độ nhám bề mặt và độ lượn sóng bề mặt Trong đó, chiều nhám bề mặt thể hiện xu hướng của các vệt nhấp nhô vi mô, quyết định bởi phương pháp gia công được chọn Ví dụ như chi tiết trục được tiện, các vệt nhám sẽ có xu hướng nằm song song nhau, vuông góc với chiều dài trục, hoặc chi tiết phay bàn, trên bề mặt phay sẽ xuất hiện các đường vòng cung chồng lên nhau Độ nhám bề mặt là yếu tố thể hiện những phần nhấp nhô, được xem như kết quả cuối cùng của một loạt tác động từ các nguyên công trong quá trình sản xuất và hoàn thiện chi tiết Ở một vài trường hợp nhất định, độ nhám bề mặt còn phản ánh tình trạng của vật liệu chế tạo Tiếp đến, độ lượn sóng bề mặt có thể nói là tương tự như độ nhám bề mặt với khoảng trống giữa các phần nhấp nhô được xét dài hơn Ngoài ra, trên bề mặt chi tiết thường sẽ xuất hiện những phần khuyết tật, chúng thường xuất hiện ngẫu nhiên, ít hay nhiều tùy thuộc vào chất lượng phôi đầu vào và các thông số gia công
Trong các thông số trên, giá trị độ nhám bề mặt là giá trị được ứng dụng phổ biến nhất để đánh giá độ hoàn thiện của một chi tiết Khi đo kiểm giá trị này, ban đầu dụng cụ đo sẽ ghi lại profin tổng, là tổng hợp của profin độ nhám và profin độ lượn sóng Sau đó, profin tổng này sẽ được chia nhỏ thành các phần bằng nhau (ký hiệu là λ c ) và sắp xếp lại sao cho profin độ nhám và profin độ lượn sóng được tách nhau, công đoạn này được các bộ tiêu chuẩn quốc tế như ASME B46.1 gọi là giai đoạn lọc [17]
Hình 2.6 Sơ đồ biểu diễn cơ bản các đặc trưng bề mặt
Sau khi xác định được profin độ nhám, việc còn lại là xác định thông số nhám cần thiết Cụ thể, riêng profin độ nhám sẽ được phân tích thông qua các công thức, giả thuyết số học để đưa ra thông số cuối cùng Phổ biến nhất có thể nhắc đến là Rq
– giá trị hiệu dụng và Ra – giá trị trung bình số học
Hình 2.7 Mô tả tính toán thông số độ nhám
L (2.41) hoặc xét xấp xỉ như sau:
Ngoài ra, còn nhiều thông số khác tùy thuộc vào lĩnh vực kỹ thuật áp dụng, như
Rv, Rp, Rt, Rc, Ry, Rlr, Rmr,… đặc trưng cho hình dạng, mật độ phân bố của các điểm nhấp nhô theo profin thu được Đối với lĩnh vực cơ khí, bề mặt một chi tiết được quyết được quyết định bởi nhiều yếu tố như vật liệu ban đầu, các phương pháp gia công và phương pháp hoàn thiện bề mặt được chọn (Hình 2.8)
Hình 2.8 Độ nhám theo Ra một số phương pháp gia công truyền thống
2.3.2 Vấn đề tiếp xúc giữa các bề mặt nhám trong mối ghép có độ dôi
Từ những lý thuyết về chất lượng bề mặt, ta có thể thấy rõ bản chất việc tiếp xúc giữa các bề mặt chính là việc tiếp xúc giữa các phần nhấp nhô trên những bề mặt đó Điều này khiến cho việc phân tích vấn đề tiếp xúc giữa những bề mặt trở nên rất phức tạp, để đơn giản hóa các nghiên cứu đã có thường xét cặp bề mặt được chế tạo từ hai loại vật liệu có độ cứng chênh lệch nhau Sự khác biệt này cho phép khi phân tích ta có thể xem bề mặt có độ cứng cao hơn là một bề mặt hoàn hảo, bài toán tiếp xúc giữa hai bề mặt nhám trở thành bài toán tiếp xúc giữa một bề mặt nhám và một bề mặt nhẵn Điều này tiếp tục tạo điều kiện để phân tích sâu hơn, cụ thể hơn vào những đặc trưng vi mô trên bề mặt, đặc biệt đối với những phần nhấp nhô thể hiện cho phương pháp gia công và tình trạng vật liệu
Xét một bề mặt nhám và một bề mặt nhẵn được ép với nhau dưới tác động của một lực F, diện tích tiếp xúc thực tế A r luôn thấp hơn diện tích tiếp xúc danh nghĩa lý tưởng A n và áp suất tiếp xúc thực tế p r cũng vì thế mà cao hơn áp suất tiếp xúc danh nghĩa p n Ta có quan hệ giữa giá trị thực tế và danh nghĩa như sau: n r r n p A p A (2.45)
Theo quan hệ trên, nếu diện tích tiếp xúc càng tăng, giá trị áp suất sẽ càng giảm Ở một góc nhìn khác, bề mặt nhám có khả năng chịu áp lực lớn hơn bề mặt nhẵn, Childs đã khẳng định vấn đề này, đồng thời phân tích về hiện tượng biến cứng của những phần nhấp nhô khi chịu tác động bởi áp lực tiếp xúc [18]
Những thay đổi vi mô của bề mặt nhám sẽ khác nhau trong từng trường hợp, nội dung bài Luận văn này tập trung vào đặc trưng của bề mặt trong mối ghép có độ dôi Trong những nghiên cứu về bề mặt đối với mối ghép có độ dôi, các nhà nghiên cứu thường xét bài toán tiếp xúc ở dạng một bài toán đàn hồi-dẻo
Cụ thể khi một chi tiết trục được ép dọc trục với một chi tiết bạc sẽ xuất hiện hai hiện tượng biến dạng chính, trong đó biến dạng đàn hồi sẽ chiếm phần lớn và là cơ sở cho khả năng tải của mối ghép Ngoài ra, khi xét vi mô những vị trí nhấp nhô trên bề mặt, tại một số phần nhất định sẽ chịu biến dạng dẻo làm tăng diện tích tiếp xúc và tác động nhất định đến khả năng của mối ghép Khi áp suất tiếp xúc càng lớn, lượng biến dạng dẻo của những phần nhấp nhô sẽ càng lớn, diện tích tiếp xúc sẽ càng tăng
Tuy nhiên, hiện tượng biến cứng của các nhấp nhô có thể xuất hiện giúp chúng giữ nguyên hình dạng dù cho chịu áp lực rất lớn Từ đây vấn đề đặt ra là việc hạn chế biến dạng dẻo xảy ra trên bề mặt ghép, nếu giới hạn được những biến dạng không mong muốn này khả năng tải của mối ghép sẽ tăng lên khi xét ở cùng một giá trị độ dôi Không chỉ thế, như đã trình bày ở phần trên, hệ số ma sát tại bề mặt ghép phụ thuộc một phần vào độ nhám bề mặt, có xu hướng tỉ lệ thuận với giá trị độ nhám.
Đánh giá khả năng tải của mối ghép có độ dôi
Đánh giá khả năng tải của mối ghép có độ dôi được thực hiện gián tiếp thông qua đo giá trị tải tháo dọc trục, việc này đã được đề cập trong rất nhiều tài liệu Trong đó, có thể xem khả năng tải này tương ứng với giới hạn ma sát tĩnh tại bề mặt ghép [16], cụ thể:
Trong đó: F max là giới hạn ma sát tĩnh (tương ứng với khả năng tải của mối ghép) [N]; r N là bán kinh lắp danh nghĩa của mối ghép [mm]; L là chiều dài bề mặt ghép [mm]; p r là áp suất tiếp xúc sinh ra trên bề mặt ghép [MPa]; μ là hệ số ma sát tĩnh
Với cơ sở lý thuyết đã trình bày ở trên, ta có thể thu được liên hệ giữa các thông số của mối ghép với khả năng tải F max như sau:
Từ một số tài liệu nghiên cứu đã có, khi xác định giá trị độ dôi thực tế của mối ghép δ ta cần kể đến những lượng thất thoát do biến dạng tại bề mặt ghép L r (hay giá trị H đã đề cập ở phần trên) [μm] và thất thoát do biến dạng không mong muốn của cả chi tiết ghép L p [μm] [2, 3], cụ thể theo công thức sau:
Trong đó: δ m là giá trị độ dôi trung bình thực tế [μm] Theo [4, 5], giá trị độ dôi trung bình δ m được hiểu là lượng chênh lệch trung bình giữa các giá trị đường kính lắp thực tế Giá trị này được xác định một cách gián tiếp thông qua việc xác định các đường kính thực tế của các chi tiết ghép
Cơ bản, lượng thất thoát L r theo tiêu chuẩn tính DIN 7190-1, hay ISO 286-1, đã đề cập ở phần trên được suy ra từ thực nghiệm để loại bỏ các sai số tính toán, hay nói cách khác hằng số thất thoát “3” trong công thức (2.14) trong trường hợp tổng quát là một tham số a (còn được gọi là hằng số mối ghép), giá trị này thay đổi theo từng đặc trưng mối ghép khác nhau:
Tiếp theo, lượng thất thoát L p do biến dạng không mong muốn của chi tiết ghép xuất phát từ việc biến cứng của những phần nhấp nhô trên bề mặt Cụ thể hơn, bề mặt chi tiết ghép khi tác động qua lại lẫn nhau những phần nhấp nhô trên bề mặt sẽ là đối tượng bị biến dạng đầu tiên, sau đó khi lượng biến dạng này đạt đến một mức độ nhất định chúng không thể tiếp tục thay đổi được, hiện tượng này dẫn đến sự biến đổi cố định trong các đặc trưng của mối ghép có độ dôi [19] Lúc này, áp suất tiếp xúc đạt một mức đủ lớn và biến dạng thể tích của chi tiết ghép có thể bắt đầu xuất hiện Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng một tỉ số để dự đoán sự xuất hiện của L p , được gọi là giá trị độ dôi tương đối, tỉ số giữa giá trị độ dôi trung bình thực tế δ m và đường kính danh nghĩa của mối ghép d N Đối với mối ghép giữa thép-hợp kim nhôm, khi δ m /d N đạt mức 1.6 ‰ giá trị L p sẽ bắt đầu trở nên đáng kể [5]
Từ đây, ta thu được cơ sở chính của nội dung nghiên cứu, tập trung vào quan hệ giữa lực ép tháo dọc trục thực tế và các thông số của mối ghép có độ dôi:
Giả thiết ban đầu đặt ra rằng đối với cặp vật liệu thép-đồng thau thì giá trị độ dôi tương đối δ m /d N để xuất hiện thất thoát do biến dạng dẻo L p có sự khác biệt đối với nghiên cứu đã có ở tài liệu [2, 3], dẫn đến sự khác biệt trong hằng số thất thoát a và lượng thất thoát L r , L p Từ đây, một lần nữa khẳng định nội dung nghiên cứu chính là xác định những giá trị đặc thù này thông qua các kết quả phân tích thực nghiệm tải tháo dọc trục mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau.
Kết luận Chương 2
Nội dung Chương 2 đã xác định được trình tính toán mối ghép có độ dôi theo phương pháp min-max và xây dựng phần mềm hỗ trợ tính toán dựa trên cơ sở phương pháp này Sau đó, ứng dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để phân tích thành phần ứng suất, biến dạng trong mối ghép có độ dôi Với công cụ mô phỏng này đã so sánh được sự khác nhau cơ bản về đặc trưng tải cho mối ghép có độ dôi giữa thép-thép và thép- đồng thau Từ những công thức tính toán và phân tích ứng suất, Luận văn đã xây dựng được công thức đánh giá khả năng tải gián tiếp thông qua giá trị tải tháo dọc trục
Tuy nhiên, sự khác nhau giữa mối ghép độ dôi giữa thép-thép và thép-đồng thau chỉ đang được xét dưới việc chênh lệch về đặc trưng vật liệu Một điều rất rõ ràng là khi xét cùng một mức giá trị độ dôi, mối ghép thép-đồng thau sẽ có khả năng tải thấp hơn so với mối ghép thép-thép, do ứng suất chảy tới hạn của vật liệu này thấp hơn thép Nhưng trong các bài toán tiếp xúc, một vấn đề không kém phần quan trọng chính là những thay đổi cụ thể của bề mặt ghép trong thực tế
Hay nói cách khác, cần thiết có các nghiên cứu thực nghiệm để xác định rõ những tác động và hiện tượng xảy ra đối với bề mặt các chi tiết ghép trong mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau Với những kết quả thực nghiệm này ta có thể xác định các hằng số tính toán mới giúp quá trình tính toán thiết kế và lựa chọn dung sai mối ghép có độ dôi được hiệu quả và có độ chính xác cao hơn.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1 Tổng quan nghiên cứu thực nghiệm
Sau khi xác định được công thức đánh giá khả năng tải thông qua giá trị tải tháo dọc trục cùng mối liên hệ với những thất thoát độ dôi phụ thuộc vào độ nhám bề mặt và biến dạng không mong muốn, ta có thể xác định được mục tiêu và các nội dung chính của thực nghiệm
Các thông số mẫu thực nghiệm, phương pháp đo, kiểm và phương pháp thử tải được lựa chọn theo các nghiên cứu đã tổng hợp ở phần đầu của Luận văn Cụ thể, đường kính danh nghĩa dN của mẫu được chọn là 20 mm
Kết quả của phần thực nghiệm cho cặp vật liệu thép-đồng thau này có vai trò quan trọng trong việc bổ sung vào cơ sở tính toán lựa chọn mối ghép có độ dôi hiện chỉ tập trung vào trường hợp tổng quát giữa thép-thép.
Tóm lược công việc nghiên cứu đã tiến hành
3.2.1 Nội dung nghiên cứu Ở vấn đề này, tập trung nghiên cứu các đặc trưng của mối ghép có độ dôi giữa chi tiết trục thép và chi tiết bạc đồng thau Thực nghiệm phân tích được tiến hành với năm cặp mẫu để đánh giá yếu tố bề mặt ghép cho cặp vật liệu này, khi xét dưới tác động lớn của tải dọc trục
Với mục đích chính của nghiên cứu là tập trung vào xác định giá trị độ dôi tương đối (δ m /d N ) cho trường hợp cặp vật liệu thép-đồng thau, việc này có thể giúp đánh giá lượng thất thoát độ dôi thực tế chính xác hơn Đồng thời, nghiên cứu hướng đến xác định cụ thể giá trị hằng số thất thoát (a) trong công thức dự đoán lượng san phẳng nhấp nhô trên bề mặt ghép khi thực hiện mối ghép bằng phương pháp ép dọc trục
3.2.2 Vật liệu và phương pháp
Nội dung nghiên cứu thực nghiệm trên mối ghép có độ dôi giữa chi tiết trục thép C45 và chi tiết bạc đồng thau C2680, với đường kính danh nghĩa của mối ghép d N 20 mm và các thông số hình học khác được thể hiện trong Hình 3.1 Thông số hình dáng mẫu thực nghiệm và hình ảnh mẫu thực tế Bề mặt ghép của các chi tiết ghép được chọn mức độ nhám chuẩn lần lượt là Ra 2.5 cho chi tiết trục và Ra 0.63 cho chi tiết bạc
Hình 3.1 Thông số hình dáng mẫu thực nghiệm và hình ảnh mẫu thực tế
Thông số vật liệu chế tạo chi tiết ghép được kiểm tra và chọn lọc kỹ từ phôi ban đầu, nhằm đạt các giá trị tương đối tuân theo tiêu chuẩn DIN EN 10277 [20] cho phôi thép C45 và tiêu chuẩn DIN EN 12163 [21], theo Bảng 3.1 Cơ tính vật liệu chế tạo chi tiết ghép
Bảng 3.1 Cơ tính vật liệu chế tạo chi tiết ghép
Khối lượng riêng Hệ số
Poisson Mô-đun đàn hồi Giới hạn chảy ρ ν E σ y
Sau khi gia công, giá trị đường kính lắp các chi tiết mẫu được đo kiểm trên máy đo tọa độ (Coordiante-measuring machine – CMM) Mitutoyo Beyond Apex 504 trên hai mặt cắt vuông góc trục tại vị trí tương đối giữa bề mặt ghép và vị trí còn lại lệch một khoảng 5 mm
Khi đã thu được các số liệu liên quan đến thông số hình dạng, việc đo độ nhám được tiến hành trên máy Mitutoyo SJ-301, giá trị được kiểm tra trên 3 đường sinh cách đều nhau tương đối một khoảng 120°, trên mỗi đường sinh phép đo được lặp lại
3 lần bằng cách tịnh tiến đầu đo sao cho bao quát hết bề mặt ghép cần đo Kết quả đo thu được phần lớn đều nằm trong khoảng đã xác định 0.5 ≤ Ra ≤ 0.85 μm Tuy nhiên, trong số các mẫu có một trường hợp độ nhám cao bất thường với Ra > 3 μm, do việc chủ ý thay đổi các thông số điều kiện gia công nhằm xác định sự khác nhau giữa các lượng san phẳng khi lắp ghép Trên Hình 3.2 trình bày một số hình ảnh thiết bị đo được sử dụng
Hình 3.2 Máy đo tọa độ và máy đo độ nhám
Có hai nhóm giá trị độ dôi được xác định từ các mẫu, cặp mẫu 1 và 2 có cùng giá trị độ dôi trung bình δ m = 33 μm, các cặp mẫu còn lại 3, 4 và 5 có các giá trị lần lượt là 42, 45 và 47 μm Cận dưới của khoảng giá trị độ dôi thực tế các cặp mẫu được chọn dựa trên giả thiết tỉ số δ m /d N = 1.6‰, cụ thể với d N = 20 mm ta có δ m = 32 μm
Từ đó, ta thu được các kết quả đo tương ứng (Bảng 3.2)
Bảng 3.2 Các giá trị đo được từ thực nghiệm trước và sau các lần ghép-tháo
Sau lần ghép-tháo đầu tiên
Sau lần ghép-tháo thứ hai
3.2.3 Thực nghiệm ép tháo dọc trục Để đo trực tiếp lực tháo tức thời và lượng dịch chuyển tương ứng giữa hai chi tiết ghép, ta ứng dụng máy kéo nén đa năng để thực nghiệm ép tháo dọc trục các cặp mối ghép Trước khi ghép, các chi tiết được làm sạch bằng acetone để loại bỏ các tạp chất trên bề mặt ghép
Các chi tiết ghép được cố định trên bàn ghép bằng một số chi tiết gá phụ, với mục đích hạn chế tối đa sự xê dịch giữa không mong muốn giữa các chi tiết trong quá trình ép Ngoài ra, với mong muốn thực hiện ghép và tháo trong cùng một lần ép trên bàn máy cần thiết có thêm một chi tiết chày ép Thông số kích thước và sơ đồ ép được trình bày ở Hình 3.3 và Hình 3.4 a b c
Hình 3.3 Thông số kích thước các chi tiết gá phụ a – Chày ép; b – Gá trên; c – Gá dưới
Hình 3.4 Mô hình 3D và mẫu gá thực tế trên bàn máy ép
Bàn luận kết quả thực nghiệm
Cặp mẫu 1 và 2 có giá trị độ dôi trung bình thực tế tương đồng nhau δ m = 33 μm, điều này giúp khẳng định sự ảnh hưởng đáng kể của độ nhám bề mặt đến khả năng tải của mối ghép có độ dôi Ở đây, cụ thể ta có tổng giá trị độ nhám bề mặt ghép cặp mẫu 1 nhỏ hơn cặp mẫu 2 và lực tháo tối đa cặp mẫu 1 cao hơn cặp mẫu 2 Theo kết quả từ Hình 3.5b, ta thấy giá trị lực tháo tối đa của cặp mẫu 3 lớn hơn giá trị của cặp mẫu 4 và 5, điều này chứng minh được sự xuất hiện của lượng thất thoát độ dôi do biến dạng chi tiết ghép L p Đồng thời, đưa ra cho ra kết quả về việc giá trị độ dôi tương đối δ m /d N ở trường hợp mối ghép thép-đồng thau khác với mức giá trị giới hạn 1.6‰ như các nghiên cứu trước đây Kết quả thu được cho thấy mức giá trị độ dôi tương dối giữa thép-đồng thau đạt giá trị 2.25‰ a b
Hình 3.5 Đồ thị giữa lực dọc trục và dịch chuyển tương đối giữa các chi tiết ghép a – với δ m = 33 μm; b – với δ m = 42, 45 và 47 μm
Phân tích kết quả lực tháo mối ghép theo tỉ số độ dôi tương đối 2.25‰, ta có thể chia 5 cặp mẫu đã có thành 2 nhóm chính, gồm có và không có xuất hiện thất thoát
Lực dọc trục tức thời [kN]
Lượng dịch chuyển tương đối giữa các chi tiết ghép [mm]
Lực dọc tục tức thời [kN]
Lượng dịch chuyển tương đối giữa các chi tiết ghép [mm]
47 μm do biến dạng chi tiết ghép L p Dựa trên công thức xác định thành phần ứng suất và kết quả đo thu được, ta có các phương trình như sau:
• Không xuất hiện L p (Cặp mẫu từ 1 – 3):
• Xuất hiện L p (Cặp mẫu 4 và 5):
− + − − + − p p a L a L biến đổi phương trình, ta thu được kết quả sau:
• Không xuất hiện L p (Cặp mẫu từ 1 – 3):
• Xuất hiện L p (Cặp mẫu 4 và 5):
Thông qua phân tích kết quả thực nghiệm thu được, ta có thể xác định được công thức dự đoán thất thoát độ dôi cho trường hợp mối ghép giữa thép-đồng thau Trước hết, tham số a có thể được giới hạn trong giá trị trung bình a = 1.6 và lượng thất thoát L p (nếu có) sẽ rơi vào khoảng 20% giá trị độ dôi trung bình thực tế, hay L p
Ta có thể phân công thức dự đoán lượng thất thoát này theo hai trường hợp:
• Không xuất hiện L p (Cặp mẫu từ 1 – 3):
• Xuất hiện L p (Cặp mẫu 4 và 5):
Kết quả đo theo Hình 3.6a cho thấy một số đặc trưng của bề mặt chi tiết trục trong mối ghép giữa thép-đồng thau, do đặc trưng của cơ tính cặp vật liệu nên giá trị độ nhám bề mặt chi tiết trục gần như không đổi sau những lần ghép-tháo, trong khi đó giá trị độ nhám bề mặt chi tiết bạc đều giảm sau mỗi chu kỳ tải
Ngoài ra, ta có thể dễ dàng nhận thấy với giá trị độ nhám bề mặt ban đầu càng cao, thì lượng biến đổi về giá trị này giữa các chu kỳ tải càng lớn, tuy nhiên biên độ thay đổi sẽ giảm dần đến một mức gần như không có sự khác biệt cho dù dưới tác động của một áp lực rất lớn Trong Hình 3.6b, giữa lần ghép-tháo thứ nhất và thứ hai, giá trị độ nhám của cặp mẫu 1, 3, 4 và 5 gần như không đổi, điều này xác định hiện tượng biến cứng của các nhấp nhô bề mặt xuất hiện a
Giá trị độ nhám bề mặt [μm]
Sau lần ghép 1Sau lần ghép 2 b
Hình 3.6 Đồ thị giá trị độ nhám bề mặt chi tiết ghép ban đầu và sau hai lần ghép- tháo a – Mẫu trục; b – Mẫu bạc
Hình 3.7 Cặp mẫu và bề mặt trục sau hai chu kỳ tải
Bề mặt trục trên Hình 3.7 cho thấy rất nhiều phần vật liệu trên chi tiết bạc bị mài mòn và bám lên chi tiết trục, một trong những nguyên nhân khiến giá trị độ nhám bề mặt chi tiết trục giảm xuống Bên cạnh đó, kết quả này xác minh sự xuất hiện của hiện tượng kết dính cơ học giữa các bề mặt tiếp xúc do sự chênh lệch về ứng suất tới
Giá trị độ nhám bề mặt [μm]
Sau lần ghép 1Sau lần ghép 2 hạn của cặp vật liệu, hay có thể nói theo cách khác rằng bề mặt có cơ tính cao hơn đã phá hủy đi bề mặt có cơ tính thấp hơn
Có thể nói, kết quả thực nghiệm khẳng định rằng sự thất thoát giá trị độ dôi một phần xuất phát từ hiện tượng biến dạng dẻo, cùng với hiện tượng biến cứng và kết dính cơ học Mặc dù những kết quả này phần nào đặc trưng tương đồng với các cặp vật liệu khác, nhưng giá trị độ dôi tương đối là khác nhau, giữa 2.25‰ so với 1.6‰ của những nghiên cứu cổ điển Đồng thời, các kết quả thực nghiệm còn chỉ ra được những sự khác biệt về giá trị các hằng số tính toán mối ghép, như giá trị hằng số thất thoát a và lượng thất thoát dộ dôi L r , L p Những phát hiện này đã tạo điều kiện mở rộng ứng dụng của mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau, chẳng hạn với giá trị đường kính danh nghĩa d N = 20 mm, ta có thể thiết kế được mối ghép có độ dôi lên đến 45 μm, lớn hơn rất nhiều khi so với tiêu chuẩn tính toán truyền thống chỉ đạt đến 30 μm
Tuy nhiên, để có được những kết luận khách quan hơn, việc tái dựng kết quả nghiên cứu này với cùng cặp vật liệu và những thông số mối ghép đầu vào khác, là rất cần thiết Sau khi đã chứng minh được tính khách quan của nghiên cứu, ta có thể mở rộng nghiên cứu cho các loại hợp kim màu khác để xác định giá trị độ dôi tương đối δ m /d N phù hợp, giá trị hằng số thất thoát a và các giá trị thất thoát độ dôi L r , L p chính xác hơn.
Kết luận Chương 3
Nội dung nghiên cứu này đã xác định được những đặc trưng của mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau, chứng minh được hiện tượng kết dính cơ học và sự bào mòn trên bề mặt chi tiết bạc sau khi ghép, những vấn đề này đã ảnh hưởng đến khả năng tải của mối ghép
Ngoài ra, ta có thể kết luận được tỉ số độ dôi tương đối trong trường hợp này có sự khác biệt lớn so với các nghiên cứu trước đây, dẫn đến sự khác nhau trong các hằng số tính toán, thiết kế mối ghép Việc bổ sung kết quả này vào cơ sở lý thuyết đã có giúp tăng sự hiệu quả của quá trình tính toán lựa chọn và thiết kế mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau, thêm vào đó có thể gia tăng được thời gian làm việc của mối ghép và giảm chi phí
Cụ thể, tỉ số độ dôi tương đối trong trường hợp này có sự khác biệt lớn so với các nghiên cứu trước đây, 2.25‰ so với 1.6‰, hay giới hạn độ dôi cho phép trước khi xảy ra thất thoát do biến dạng dẻo tăng từ 32 μm lên đến 45 μm (tăng xấp xỉ 30%) khi xét ở d N = 20 mm Giá trị hằng số mối ghép trong trường hợp thép-đồng thau là a = 1.6 so với a = 3 ở các trường hợp thép-thép (giảm xấp xỉ 50%).