I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP LĂN MIẾT
I.4Bôi trơn giới hạn với chất bôi trơn rắn
Một số chất rắn có tác dụng bôi trơn khi chúng tạo ra và giữ chế độ ma sát có bôi trơn giới hạn. Màng giới hạn có độ bền ép cao và độ bền cắt nhỏ. Một số chất rắn có thể hấp thụ lên bề mặt chi tiết máy thoả mãn yêu cầu đó. Để hiểu rõ vấn đề này, có thề đi sâu nghiên cứu ma sát giới hạn và sự hấp phụ bề mặt của chất bối trơn rắn.
Ma sát giới hạn tồn tại khi lớp bôi trơn giữa hai bề mặt ma sát có độ dày rất mỏng (được gọi là lớp giới hạn có độ dày 0,1 m). Khi đó chất bôi trơn rắn sẽ xuất hiện các tính hấp thụ của chất bôi trơn. Nếu phá hủy lớp bôi trơn này sẽ chuyển sang ma sát khô. Độ bền vững của lớp giới hạn cũng xác định chât lượng hoạt hoá của chất bôi trơn trong khu vực tiếp xúc của các chi tiết máy.
Hấp phụ là quá trình diễn ra ở ranh giới các pha, mà ở đo các thành phần của một pha có số lượng ở lớp bề mặt lớn hơn so với trong lòng của pha đó. Nếu như lớp trên mặt giàu các phân tử của một thành phần so với pha bên trong, khi đó diễn ra hấp phụ dương, trong trường hợp ngược lại ta có hấp phụ âm. Trên các bề mặt của vật rắn tồn tại trường lực phụ thuộc vào cấu trúc hoá học của nó. Với sự cọ sát bề mặt của vật rắn với các phân tử môi trường, do hiệu quả của sự tác dụng tương hỗ, các phân tử chất bôi trơn dính vào bề mặt của vật rắn. Sự không dịch chuyển các phân tử trên bề mặt do lực hút phân tử (lực Vanderval), được gọi là
hấp phụ vật lý, còn có sự liên kết hoá học của các phân tử trên bề mặt vật rắn gọi là hấp phụ hoá học.
Sự hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học được gọi là sự hút bám. Quá trình ngược lại, tức là quá trình giải phóng các phân tử trên bề mặt được gọi là quá trình giải hấp.
Vật rắn trên đó các phân tử của pha rắn (lỏng, khí) bị hấp phụ lên, được gọi là chất hấp phụ. Chất bị hấp phụ trên chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ. Nếu chất bị hấp phụ giải hấp phụ khỏi bề mặt của chất hấp phụ bằng chất hoà tan, thì quá trình này được gọi với cái tên là sự tẩy rửa. Chất hòa tan được gọi là chất rửa
Hấp thụ là qua trình động lực có tính chất thuận nghịch, điều đó có nghĩa các phân tử bị hấp phụ được giữ trên bề mặt vật rắn trong một thời gian nhất định. Với kết quả đó, bề mặt của vật rắn luôn luôn được phủ bởi một lớp các phân tử của chất bị hấp phụ sẽ tăng cùng với sự tăng thời gian trung bình lưu lại các phân tử trên nó. Sự lưu lại của các phân tử phụ thuộc vào lực tác dụng tương hỗ giữa bề mặt và các phân tử bị hút trên nó.
Sự hấp phụ các phân tử đưa đến sự giảm năng lượng bề mặt của vật hấp phụ. Từ kết quả đó, trong thời gian hấp phụ diễn ră sự trao đổi với môi trường một lượng nhiệt nhất định được gọi là nhiệt hấp phụ. Vì vậy quá trình hấp phụ là quá trình toả nhiệt.
Cường độ quá trình hấp phụ được đánh giá bởi đại lượng thể tích (cm3) hoặc khối lượng (g) chất bị hấp phụ trên bề mặt vật hấp phụ. Cũng có thể đánh giá bởi thời gian cân thiết để một lượng chất hấp phụ hết trên bề mặt vật thể.
Rõ ràng, hai nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ là: Bản chất của chất bị hấp phụ (cấu trúc hoá học các phân tử của chất bị hập phụ) và vật hấp phụ (cấu trúc bề mặt vật rắn). Cường độ hấp phụ còn phụ thuộc vào số lượng, vị trí các trung tâm hoạt tính trên bề mặt vật rắn. Từng vị trí khác nhau trên bề mặt vật rắn sẽ có cường độ hấp phụ khác nhau. Những vị trí có trung tâm hoạt tính, ở đó sẽ diễn ra sự hấp phụ mạnh. Quan điểm này được H.Taylor đề xuất. Lý thuyết của Baladin. A.A là một trong những lý thuyết có phân tích đến ảnh hưởng của
cấu trúc của tinh thể đến hấp phụ hoá học. Trong lý thuyết của mình, ông đã chú ý đến nhân tố thích hợp hình học giữa sự xếp đặt các nguyên tử trong mạng tinh thể bề mặt vật rắn và cấu trúc các phân tử chất hấp phụ. Baladin lưu ý rằng trên một vật nhất định, chỉ có thể hấp phụ hoá học các phân tử mà cấu trúc của nó có khoảng cách giữa các phân tử và sự đối xứng phải có quan hệ thích hợp với khoảng cách giữa các nguyên tử trong vật hấp phụ.
Ngoài giả thiết về sự tương thích hình học, A.A Baladin đã xây dựng bổ sung cho lý thuyết của mình sự tương thích về mặt năng lượng (1954). Lý thuyết của ông, cơ sở lý tưởng của các tinh thể. Các hình dạng thực của các tinh thể thường có những khuyết tật, trên thực tế, các khuyết tật này làm thay đổi khả năng hấp phụ của vật rắn. Mạng tinh thể của vạt rắn có khuyết tật vi mô cũng như vĩ mô.
Wolkensztajn cho rằng giữa vật hấp phụ và các nguyên tử chất bị hấp phụ tạo nên ba loại lên kết. Liên kết đơn điện tử, các liên kết hai điện tử đồng cực và liên kết ion. Khi tạo nên loại liên kết như vậy, mạng tinh thể có thể nhận các điện tử của chất bị hấp phụ hoặc ngược lại là nhả các điện tử. Quá trình trên phụ thuộc vào đặc tính bán dẫn và ái lực của điện tử.
Số nguyên tử hấp phụ trên vật rắn, mà mỗi nguyên tử trong chúng cho đi hoặc nhận được số điện tử xác định đều phụ thuộc vào tính chất điện trường của các phân tử chất bị hấp phụ và vật rắn. Ở nhiệt độ thấp, chuyển động các khuyết tật cơ học rất nhỏ. Trong điều kiện như vậy, sự tăng lên hay giảm bớt các điện tử hay nút trống diễn ra trong thời gian hoá học hấp phụ bị giới hạn đến lớp bề mặt của tinh thể có độ dày 0,1m, được gọi là lớp biên.
I.4.1 Quá trình thấm và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thấm.
Quá trình thấm là đặt chi tiết vào trong môi trường có chứa nguyên tố thấm với những điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất…) là cho các nguyên tố đó thấm vào bề mặt chi tiết.
Dù là nguyên tố nào, thì toàn bộ quá trình thấm bao giờ cũng gồm ba quá trình cơ bản: Phân hoá, hấp thụ và khuyếch tán.
a. Quá trình phân hoá
Môi trường có chứa nguyên tố thấm, dưới những điều kiện nhất định sẽ xảy ra phản ứng hoá học, tiết ra nguyên tử của nguyên tố thấm có hoạt tính cần thiết.
b. Quá trình hấp phụ
Các nguyên tử hoạt tính sau khi tiết ra (nguyên tử ở trạng thái sơ sinh), bị bề mặt chi tiết hấp thụ (hoà tan). Quá trình xảy ra phải có hai điều kiện:
- Còn tồn tại nguyên tử hoạt tính. Khi nguyen tố thấm ở trạng thái phân tử thì không thể bị kim loại (chi tiết) hấp phụ.
- Nguyên tố thấm có thể thấm vào trong kim loại chính (chi tiết) tạo thành dung dịch rắn hoặc hợp chất kim loại.
c. Quá trình khuếch tán
Các nguyên tử của nguyên tố thấm, sau khi bị bề mặt chi tiết hấp phụ, sẽ di chuyển vào bên trong và đạt đến một nồng độ và chiều sâu nhất định. Có hai nhân tố ảnh hưởng đến quá trình đó là:
- Sự chênh lệch nồng độ của nguyên tố thấm theo chiều sâu của lớp thấm. Sự chênh lệch này càng lớn thì khuếch tán càng dễ dàng.
- Sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử. Khi nguyên tử khuếch tán vào bên trong chi tiết cần phải có năng lượng đầy đủ. Nhiệt độ càng cao, năng lượng của nguyên tử càng lớn, càng khuếch tán dễ dàng.
Sự chênh lệch về nồng độ là do quá trình hấp thụ tạo lên, vì có sự hấp thụ nên bề mặt chi tiết có nồng độ cao hơn.
Do đó ta thấy quá trình hấp thụ này tùy thuộc vào quá trình phân hoá, còn quá trình khuếch tán tuỳ thuộc vào quá trình hấp thụ. Ba quá trình cơ bản đó diễn ra không ngừng, đạt đến sự hoàn thành toàn bộ quá trình thấm.
Sự diễn biến của ba quá trình đó thuận lợi hay không sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình thấm. Trong những điều kiện nhất định, các môi trường tạo ra các nguyên tử hoạt tính (chất thấm) có thể là thể rắn, lỏng, khí. Dù là môi trường nào, số lượng các nguyên tử hoạt tính sản sinh ra qua phản ứng hoá học nhiều hay ít sẽ ảnh hưởng đến nồng độ lớp thấm và chiều sâu lớp thấm
khuếch tán vào bên trong. Số lượng nguyên tử hoạt tính càng nhiều, nồng độ lớp thấm càng cao, khuếch tán cũng càng nhanh. Nhưng nếu số lượng nguyên tử hoạt tính quá nhiều dễ kết hợp thành phân tử và sẽ ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ. Vì vậy khi tiến hành thấm, cần phải lựa chọn, điều chỉnh và không chế thành phần của chất thấm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quá trình hấp thụ chỉ phát sinh ở bề mặt tiếp xúc giữa chi tiết với chất thấm. Các nguyên tử bị hấp thụ không phải hoàn toàn ổn định. Khi áp lực môi trường thấp, nồng độ nguyên tử hoạt tính không cao thì chúng có thể quay lại môi trường chất thấm.
Có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ như áp lực của môi trường xung quanh vào thép, nồng độ của nguyên tử hoạt tính, độ hoà tan của nguyên tố thấm vào thép, nhiệt độ khi thấm và tổ chức của thép ở nhiệt độ đó, thành phần hoá học của thép và độ sạch bề mặt chi tiết… Áp lực của môi trường xung quanh càng lớn, nồng độ nguyên tử hoạt tính càng cao, độ hoà tan nguyên tố thấm xung quanh càng lớn, nồng độ nguyên tử hoạt tính càng cao, hộ hoà tan nguyên tố thấm vào trong thép càng lớn, nhiệt độ khi thấm càng cao, hàm lượng các bon trong thép càng thấp và hàm lượng nguyên tố hợp kim có thể hoà hợp với nguyên tố thấm càng cao thì khả năng hấp thụ của chi tiết càng mạnh.
II. TÁC DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LĂN MIẾT
Công nghệ lăn miết là một phương pháp gia công mới mà các tài liệu nói về phương pháp này rất ít, vì vậy việc tìm hiểu kỹ về tính chất của công nghệ còn hạn chế, do vậy chỉ có thể nêu ra một số tính chất một cách khái quát và chủ yếu dựa vào khái niệm.
Tác dụng chủ yếu của lăn miết:
Làm thay đổi tính chất của bề mặt chi tiết trong quá trình gia công bằng phương pháp biến dạng dẻo.
Trạng thái bề mặt của chi tiết thay đổi, các nhấp nhô bề mặt bị san phẳng. Phương pháp này có thể áp dụng cho gia công tinh lần cuối.
Trong quá trình làm việc chi tiết vừa được con lăn, vừa miết trên bề mặt gây biến dạng bề mặt.
Để quá trình làm việc được tốt hơn có thể sử dụng thêm chất phụ gia hoặc là chất bôi trơn nào đó…
Tóm lại lăn miết là một phương pháp làm biến dạng, xô lệch mạng tinh thể của bề mặt chi tiết gia công. Quá trình lăn miết diễn ra bởi sử tương tác của hai bề mặt chi tiết được cho tiếp xúc nhau và được tương tác dụng một lực.
III. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MA SÁT ƯỚT VÀ BÔI TRƠN ƯỚT
III.1 Khái niệm và phân loại
Ma sát ướt tồn tại giữa hai mặt tiếp xúc khi hai bề mặt của vật rắn (các chi tiết máy) được phân cách bởi một lớp bôi trơn, ma sát giữa hai bề mặt từ ma sát ngoài chuyển thành ma sát nội tại của chất lỏng bôi trơn. Nội ma sát của chất lỏng làm giảm cản trở ma sát và cường độ hao mòn cũng như tăng cường hấp thụ dao động trong máy móc. Chất bôi trơn khi chảy qua bề mặt bôi trơn còn tải đi một phần nhiệt lượng làm giảm nhiệt độ của vùng tiếp xúc.
Độ dày và đặc tính của lớp bôi trơn xác định loại hình bôi trơn. Để phân loại các kiểu bôi trơn, người ta đưa ra đại lượng gọi là độ dày tương đối của lớp bôi trơn và được định nghĩa qua công thức.
Bề dày lớp dầu bôi trơn h Tổng độ lệch trung bình của 2 mấp mô bề mặt Ra1 +Ra2
Loại hình bôi trơn các chi tiết máy được phân loại theo giá trị của R và được trình bày trên (hình 2-3)
Thủy động lực đàn hồi Thủy tĩnh Thủy động Khí động Bôi trơn hỗn hợp Bôi trơn giới hạn 1≤ R≤1 5≤ R ≤ 100 R≤5 R≤1 0 1 5 10
Hình 2-9: Các loại bôi trơn chi tiết máy.
III.2 Bôi trơn trong điều kiện ma sát giới hạn R≤1
Cản trở ma sát cũng như cường độ hao mòn các bề mặt ma sát trong điều kiện ma sát giới hạn phụ thuộc vào tính chất bề mặt và hoạt tính bề mặt của chất bôi trơn. Độ nhớt của chất bôi trơn trong trương hợp này có ảnh hưởng rất nhiều đến điều kiện ma sát giới hạn. (hình vẽ)
Hình 2-10 : Mô hình hình thành lớp bôi trơn giới hạn. 1. Lõi chi tiết; 2. Lõi thứ cấp; 3. Bôi trơn giới hạn
Tải trọng nhỏ Tải trọng lớn
a) b) 4
3 2
1
III.3 Bôi trơn ướt hoàn toàn 5≤ R ≤ 100
Có thể loại bỏ được hao mòn do ma sát khi ta sử dụng được bôi trơn ướt hoàn toàn. Lớp chất lỏng hoặc khí được hình thành giữa hai bề mặt có khả năng phân cách hoàn toàn hai bề mặt và loại trừ tác dụng giữa các mấp mô. Áp dụng trong lớp chất lỏng được hình thành do hiệu quả của sự chuyển động tương đối của hai bề mặt hoặc là nguồn năng lượng cung cấp từ bên ngoài. Bề dày của lớp bôi trơn dày hơn nhiều lần bề dày lớp giới hạn và tổng các mấp mô của hai bề mặt. Độ nhớt của chất bôi trơn là đặc trưng quan trọng nhất cho ma sát ướt. (hình vẽ
Hình 2-11: Mô hình lớp chất lỏng trong trường hợp bôi trơn ướt a. Mô hình đơn giản của lớp dầu bôi trơn khi bôi trơn ướt.
b. So sánh lớp chất lỏng được hình thành trong trường hợp bôi trơn ướt và bôi trơn thủy động đàn hồi:
1. Lớp bảo vệ hay thứ cấp. 2. Chất bôi trơn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3. Vật đàn hồi 4. Vật cứng.
III.4 Bôi trơn trong trường hợp ma sát thủy động đàn hồi 1≤ R≤10
Các lý thuyết bôi trơn cổ điển đã không phân tích đến sự biến dạng của bề mặt được bôi trơn khi chúng chịu áp lực cao. Biến dạng này phụ thuộc vào điều kiện khi lực tác dụng tập trung và có trị số lớn như ăn khớp bánh răng, ổ lăn … Lớp dầu bôi trơn xuất hiện giữa các bề mặt như vậy được gọi là lớp dầu bôi trơn thủy động lực đàn hồi. Do tác dụng của tải trọng lớn lại khu vực tiếp xúc, độ nhớt của dầu tăng lên và tạo thành lớp thủy động lực đàn hồi
(p+dp)dy (pdy d)dx dx . Pmax v 1 2
Giả thiết có một tấm phẳng nghiêng với tấm 2 một góc nào đó và chuyển động theo phương X với vận tốc V. Kích thước các tấm theo phương vuông với X lớn vô cùng. Chất lỏng bôi trơn nằm trong khe có độ nhớt động lực học là
khi 1 chuyển động tương đối so với 2, với vận tốc V, nó kéo theo chất lỏng vào khe và tạo áp suất dư.
Sự thay đổi áp suất trong lớp chất lỏng theo hướng chuyển động X được xác định theo phương trình O.Reynolds.
3 . . 6 h h h v dx dp m (2-1)
Đồ thị biến thiên áp suất dư trên hình cho thấy áp suất dư cực đại tương ứng với h=hm. Lúc này dp/dx=0
từ (2-1) ta thấy: Áp suất dư trong chất lỏng tăng nhanh khi độ nhớt và vận tốc tăng.
Khi áp lực này gây bởi chất lỏng lên tấm 1 lớn hơn áp lực (tải) P ép lên nó, thì tấm này được nâng lên.
Nếu giá trị:
hmR1+R2 (2-2)