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

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

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

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

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

2.7 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

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

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

tại Công ty Cổ phần Đá mài Hải Dương, một đầu ép đá mài ba via cỡ φ100 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

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

+ 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

cỏch giữa cỏc hạt mài càng tăng Vỡ vậy mật độ của đỏ mài càng lớn thỡ độ cứng đỏ mài càng lớn và ngược lại mật độ của đỏ mài càng bộ thỡ độ cứng của đỏ mài càng nhỏ

+ Lưới thuỷ tinh: giữa đỏ mài cú lớp nhựa dạng sợi thuỷ tinh Phenol Fomandehit

C6H5OH-(CH2- C6H5)n-CH2- C6H5OH, cú tỏc dụng chống vỡ đỏ trong quỏ trỡnh mài

1.1.3 Cỏc bước sản xuất đỏ mài ba via

Quặng BroxitLuyện hồquang điện

Làm lạnhCorindon cụcNghiền và cánSàng phân loạiNgâm H2SO4

rửa sạch

SấyHạt mài A24Hạt nền A60

Chất dính kết BFHỗn hợp

A24 + BF

Hỗn hợpA24 + BF

Khuôn ép

Lứơi thuỷ tinhKhuôn ép

Khuôn épBạc lỗ 16

Sửa đá

Kiểm tra, dán mác, đóng gói sản phẩm

Hỡnh 1.2 Sơ đồ quy trỡnh sản xuất đỏ mài ba via

Trờn hỡnh 1.2, mụ tả quy trỡnh sản xuất đỏ mài ba via từ khõu chế tạo hạt mài từ qụăng Boxit trong thiờn nhiờn Quy trỡnh sản xuất đỏ mài ba via được bắt đầu từ việc khai thỏc quặng Broxit tại mỏ Kinh Mụn, quặng Broxit được đưa vào lũ luyện hồ quang ở nhiệt độ 1450°C làm chảy quặng Boxit, sau đú làm lạnh, cho ra phụi Corindon cục Corindon cục được nghiền nhỏ và phõn cấp thành cỡ hạt của hạt nền và hạt mài và được sàng phõn loại để được cỡ hạt đỳng kớch thước, sau đú rửa sạch bằng axit H2SO4 và nước, rồi sấy khụ, được hạt Corindon nõu A24 và A60

Chất dớnh kết của đỏ mài ba via (cú cả chất độn) là hỗn hợp nhựa Fờnol lỏng PF2550 (5%), nhựa Fờnol bột PF2893A (18%), và chất độn Nu3AlF6 (6%) Chất

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 φ16 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

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

- 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

P

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-α, 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-α 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

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

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

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

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

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

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

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

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

Q= (2.1) Trong đó: Q: thể tích vật liệu mòn,

k: hệ số xác xuất một tiếp xúc tạo nên một hạt mài,

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)

kAp

Q= mβ = mβ (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 = µp (µ là hệ số ma sát) nên

( 2)1/20

1 aµ

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:

- 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:

.110003p0

Vậy giới hạn chảy tối thiểu của vật liệu chi tiết đầu ép sẽ là: .11000

QWkp =Trong đó:

+ 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

Q=π(R2−r2) mm2

Vậy giới hạn chảy của chi tiết đầu ép sẽ là:

33 .

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

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

= (2.4)

Trong đó:

W: lực ép,

x: khoảng trượt của mỗi lần ép,

(tgθ)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,

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:

- 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:

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:

Vậy độ cứng của chi tiết đầu ép sẽ là: ( )

Trong đó:

+ (tgθ)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: θtb = 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-rπ ( )pep , 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 ( 22) 2

Rv=π −

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:

()22

Độ cứng tối thiểu của chi tiết đầu ép theo Archard:

()()

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:

- 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 1µm 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

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

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

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

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

theo số chu kỳ dao động tới biên độ dao đến 100µm 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

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

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

+ 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

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

suất nén lớn σn≈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 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:

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

- 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