Đánh giá ảnh hưởng của các dạng hao mòn và lựa chọn giải pháp công nghệ chế tạo, công nghệ bề mặt nâng cao chất lượng đầu ép đá cắt ba via cho Công ty cổ phần Đá mài Hải Dương
MỤC LỤC
Một số dạng mòn hỏng đầu ép
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. 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.
Một vài nét về sản xuất đầu ép đá ba via trong nước
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. 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.
Mòn do dính
Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do dính
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. 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.
Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo
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. 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.
Mòn hoá học
Hiện tượng
- 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.
Cơ chế mòn
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. 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.
Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn hoá học
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 dư trong lòng kim loại có thể gây ra nứt do kết hợp với sự ăn mòn trong môi trường hoạt tính cao.
Mòn do mỏi
Hiện tượng
Ứng suất tiếp xúc cao có thể làm tăng mòn cục bộ dẫn đến sự tạo thành các lỗ châm kim trên bề mặt. 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.
Cơ chế 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. 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.
Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn do 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. 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.
Mòn fretting
Cơ chế mòn fretting
Khi vượt qua biờn 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. 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.
Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn fretting
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.
Mòn do va chạm
Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion)
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. 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.
Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion)
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). Ở chế độ cắt mòn xảy ra mạnh nhất theo phương grazing và chế độ cày theo phương vuông góc.
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.
Đánh giá ảnh hưởng của các dạng hao mòn ở chi tiết đầu ép
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.
Chọn vật liệu chế tạo đầu ép
Trong các loại thép hợp kim được chia ra các nhóm vật liệu có tính chất, công dụng riêng như: Vật liệu chịu mài mòn, vật liệu có tính chất đàn hồi cao, vật liệu chịu ăn mòn và chịu nhiệt, vật liệu làm dụng cụ cắt, vật liệu làm dụng cụ gia công kim loại bằng áp lực…. Với đầu ép thuộc loại chi tiết làm việc với áp lực cao, nhưng lại chịu mài mòn là chủ yếu, yêu cầu độ cứng và độ bền cơ học cao, do vậy ta chọn vật liệu chế tạo đầu ép là vật liệu thuộc nhóm vật liệu chịu mài mòn và nhóm vật liệu làm dụng cụ gia công chịu áp lực cao, sẽ đảm bảo được các yêu cầu về tính năng làm việc, tính công nghệ và tính kinh tế.
Phân tích tính kết cấu và tính công nghệ của đầu ép
Với yêu cầu như vậy, ta có thể chọn tiện thô, nhiệt luyện rồi tiện tinh là phương pháp gia công lần cuối để đạt được các yêu cầu. Tóm lại, vật liệu đầu ép yêu cầu đảm bảo được tính kết cấu và khả năng công nghệ để đạt được kích thước, hình dáng, độ bóng và độ cứng yêu cầu của chi tiết.
Nhiệt luyện chi tiết đầu ép
Yêu cầu chiều dầy lớp thấm tôi bề mặt đầu ép
Do vậy các bề mặt này đảm bảo về tính kết cấu và tính công nghệ.
Thời gian nung chi tiết đầu ép
Nhiệt luyện, thấm các bon bề mặt răng đạt độ cứng: HRC 60ữ 62 chiều sâu lớp thấm không nhỏ hơn 0,3mm.
Tôi chi tiết đầu ép
Môi trường làm nguội: Sau khi nung và giữ nhiệt, chi tiết được làm nguội với tốc độ đủ lớn, để không có sự phân hoá khuếch tán của austenit thành peclit, tức là khi làm nguội, chi tiết đầu ép nhận được tổ chức mactenxit với lượng austenit dư ít nhất. Đây là một số loại môi trường làm nguội đơn giản, hiệu quả, giá thành rẻ và được dùng rất phổ biến trong thực tế sản xuất.Vậy với tốc độ tôi tới hạn của chi tiết đầu ép là 1000C/s ta chọn môi trường làm nguội là dầu khoáng.
Một số giải pháp hỗ trợ tính ổn định khả năng làm việc đầu ép
Trên thực tế không có môi trường làm nguội nào thoả mãn được các yêu cầu này, thông thường người ta hay sử dụng một số loại môi trường như nước, dầu, dung dịch muối.
Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm tra bền và biến dạng của đầu ép
Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn
- Với các chuyển vị nút, ta sẽ tính được biến dạng và ứng suất tại các nút, từ đó tìm được biến dạng và ứng suất của từng điểm bất kỳ trong vật thể. + Bài toán cơ học: Bài toán tĩnh học và bài toán động học, + Bài toán trường nhiệt độ, truyền nhiệt,.
Ứng dụng phần mềm Cosmos kiểm tra bền và biến dạng của đầu ép
- Ứng dụng: Nghiên cứu tình trạng chịu lực của hệ vật trong các lĩnh vực như + Kết cấu thép,. Mô tả liên kết (khống chế bậc tự do của vật thể theo sơ đồ làm việc): mô tả liên kết chi tiết với đầu máy ép, chọn bề mặt khống chế các chuyển vị: mặt đầu φ80 và mặt trụ φ80.
Một số kết luận và đề xuất nghiên cứu chế tạo loại đầu ép cỡ lớn
Thực tế sự phân bố tải trọng trên bề mặt làm việc của đầu ép là phức tạp, chúng có thể tuân theo một quy luật nào đó, nếu tìm ra được quy luật phân bố tải trọng thì việc dụng phần mềm vào việc kiển tra bền và biến dạng sẽ đem lại kết quả chính xác hơn. Ở phần ứng dụng phần mềm Cosmos, để kiểm tra bền và biến dạng cho đầu ép cỡ nhỏ (đường kính đầu ép 100 mm) đã kiểm tra được hệ số an toàn là 11, như vậy nếu vẫn giữ nguyên chiều dày tấm ép và tăng đường kính đầu ép(đường kính đầu ép cỡ lớn 180) thì độ bền và độ cứng của đầu ép vẫn đảm bảo.
Xác định dạng sản xuất
Xác định phương pháp chế tạo phôi
Chọn được phôi hợp lý cho phép giảm số lần chạy dao, giảm thời gian gia công và giảm sai số in dập, dẫn đến đảm bảo tốt tính năng kỹ thuật của chi tiết, làm tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm. Từ các yêu cầu trên và căn cứ vào đặc điểm kết cấu của chi tiết gia công, ta chọn chuẩn thô là bề mặt φ100 kết hợp với mặt đầu và như vậy chuẩn thô sẽ khống chế năm bậc tự do.
Trình tự các nguyên công
Phương án 1 - Gia công trên máy công cụ truyền thống
Các bề mặt còn lại, với yêu cầu về độ chính xác và độ bóng như trình bầy trên bản vẽ chi tiết đầu ép, ta có thể chọn tiện tinh là biện pháp gia công lần cuối.
Chọn phương án gia công và xác định trình tự nguyên công
Do vậy tiền chi phí máy, tiền điện và tiền công thợ cao hơn so với gia công trên máy CNC.
Tính toán lượng dư
Tra chế độ cắt cho các nguyên công
Tính giá thành chi tiết đầu ép
+ Mẫu chế tạo đều đạt được các kích thước, hình dáng hình học theo yêu cầu kỹ thuật,.
Đánh giá kết quả và kết luận về hướng phát triển của đề tài
Kết quả đạt được
Từ các yêu cầu về kỹ thuật, điều kiện làm việc và độ bền mòn, đề tài đã ứng dụng cơ sở lý thuyết về ma sát và mòn để xác định các yêu cầu về vật liệu chế tạo và cơ tính hợp lý cho chi tiết đầu ép, nhằm hạn chế và khắc phục các dạng hỏng do mòn. Từ các yêu cầu về cơ tính và vật liệu của chi tiết đầu ép, kết hợp với điều kiện làm việc thực tế, đề tài đã lựa chọn các biện pháp về thiết kế và các biện pháp về công nghệ, để đảm bảo cho chi tiết có độ chính xác gia công, kích thước hình dáng hình học hợp lý, độ cứng và độ bóng bề mặt cao, nhằm hạn chế và khắc phục các hiện tượng mòn của chi tiết đầu ép và đã đạt được một số kết quả khả quan và mục tiêu chính của đề tài.
Hạn chế của đề tài
Đề tài đã ứng dụng cơ sở lý thuyết về ma sát – mòn, hiện tượng mòn để xác định nguyên nhân và các dạng hỏng bề mặt do mòn của chi tiết đầu ép đá mài ba via, trên cơ sở điều kiện làm việc thực tế tại cơ sở sản xuất. Các kết quả nghiên cứu của đề tài về mặt lý thuyết có thể được áp dụng, tham khảo làm cơ sở để nghiên cứu thiết kế các chi tiết đầu ép đối với một số loại sản phẩm khác của Công ty cổ phần đá mài Hải Dương.
Hướng phát triển của đề tài
Băng VIDEO ghi lại hình ảnh quá trình gia công chi tiết trên máy tiện CNC.
Tiếng Việt
PGS TS Nguyễn Việt Hưng(2003), ANSYS và mô phỏng trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn,.