Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm, kéo dài tuổi thọ chi tiết máy và đánh giá trình độ phát triển khoa học kỹ thuật của quốc gia. Theo ước tính, công nghệ tôi cảm ứng bề mặt cục bộ đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nhằm cải thiện cơ tính vật liệu chi tiết, đặc biệt là các chi tiết dạng trục như bánh răng, cơ cấu cam. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này cho các chi tiết có biên dạng phức tạp, không đồng đều như chi tiết dạng càng vẫn còn hạn chế và chưa phổ biến.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng, một dạng chi tiết có bề mặt cong phức tạp, thông qua mô phỏng trên phần mềm Comsol và thực nghiệm với các vật liệu thép C20, C45, C50. Mục tiêu chính là xác định mối quan hệ giữa tốc độ tôi, nhiệt độ tôi và độ cứng bề mặt chi tiết, từ đó đề xuất quy trình công nghệ tối ưu cho quá trình tôi cục bộ chi tiết dạng càng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng và thực nghiệm tại Việt Nam trong giai đoạn 2019-2020, tập trung vào chi tiết “Cần gạt cho khuôn dập tấm”.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc mở rộng ứng dụng công nghệ tôi cảm ứng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, đồng thời mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi giúp các cơ sở chế tạo cơ khí trong nước giảm chi phí nhập khẩu thép cơ tính cao, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết tôi bề mặt: Quá trình nung thép lên trên nhiệt độ tới hạn A1 để tạo pha Austenit, giữ nhiệt và làm nguội nhanh nhằm tạo thành cấu trúc Mactenxit với độ cứng cao. Các yếu tố ảnh hưởng gồm nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt, tốc độ nung nóng và tốc độ làm nguội.

  • Nguyên lý tôi cảm ứng: Sử dụng dòng điện cao tần chạy qua cuộn dây cảm ứng tạo ra từ trường biến thiên, sinh ra dòng điện xoáy (dòng cảm ứng) trong chi tiết, làm nóng cục bộ bề mặt chi tiết. Hiệu ứng bề mặt khiến dòng điện tập trung ở lớp ngoài, tăng hiệu quả gia nhiệt.

  • Khái niệm độ cứng Rockwell: Đo độ cứng dựa trên độ sâu vết lõm của mũi thử kim cương hoặc viên bi thép dưới lực tác động, phản ánh khả năng chống lún của vật liệu.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu là: tốc độ tôi (tốc độ di chuyển chi tiết qua vùng gia nhiệt), nhiệt độ tôi (nhiệt độ đạt được trong quá trình gia nhiệt), và độ cứng bề mặt (đo bằng thang Rockwell).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Kết hợp dữ liệu mô phỏng trên phần mềm Comsol và dữ liệu thực nghiệm từ các mẫu chi tiết “Cần gạt” làm bằng thép C20, C45, C50.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng phân bố nhiệt độ và quá trình gia nhiệt cảm ứng cục bộ trên Comsol để xác định ảnh hưởng của tốc độ tôi đến nhiệt độ và độ cứng. Thực nghiệm tôi cục bộ với các tốc độ tôi thay đổi từ 0,2 mm/s đến 0,5 mm/s, đo độ cứng bề mặt tại 5 vị trí khác nhau trên chi tiết.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu thực nghiệm gồm chi tiết dạng càng “Cần gạt” được chế tạo từ ba loại thép phổ biến trong cơ khí chế tạo. Lựa chọn các tốc độ tôi nhằm khảo sát ảnh hưởng trực tiếp của biến số này đến độ cứng bề mặt.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 4/2019 đến tháng 5/2020, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế và chế tạo mẫu, mô phỏng trên Comsol, thực nghiệm tôi cục bộ, xử lý dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt: Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tốc độ tôi giảm từ 0,5 mm/s xuống 0,2 mm/s, độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng tăng rõ rệt. Ví dụ, với thép C45, độ cứng bề mặt tăng từ khoảng 450 HRB lên đến 520 HRB, tương đương tăng khoảng 15%. Tương tự, thép C50 và C20 cũng có xu hướng tăng độ cứng khi giảm tốc độ tôi.

  2. Phân bố độ cứng tại các vị trí khác nhau trên bề mặt: Đo độ cứng tại 5 vị trí trên bề mặt chi tiết cho thấy vị trí gần cuộn dây cảm ứng có độ cứng cao nhất, giảm dần về các vị trí xa hơn. Sự chênh lệch độ cứng giữa các vị trí có thể lên đến 10-12%, phản ánh sự không đồng đều trong quá trình gia nhiệt.

  3. Ảnh hưởng của vật liệu thép: Thép C50 có độ cứng bề mặt cao hơn thép C45 và C20 trong cùng điều kiện tôi, do hàm lượng cacbon và thành phần hợp kim cao hơn. Độ cứng bề mặt của thép C50 đạt khoảng 530 HRB ở tốc độ tôi 0,2 mm/s, trong khi thép C20 chỉ đạt khoảng 460 HRB.

  4. Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên Comsol: Mô phỏng cho thấy nhiệt độ bề mặt chi tiết tăng khi tốc độ tôi giảm, đạt nhiệt độ tối đa khoảng 850°C ở tốc độ 0,2 mm/s. Nhiệt độ cao hơn giúp tạo thành lớp Mactenxit dày hơn, dẫn đến độ cứng bề mặt tăng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tốc độ tôi làm tăng độ cứng bề mặt là do thời gian gia nhiệt kéo dài hơn, cho phép nhiệt lượng truyền sâu hơn vào bề mặt chi tiết, tạo thành lớp thấm tôi dày và đồng đều hơn. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tôi cảm ứng bề mặt, trong đó tốc độ di chuyển thấp giúp tăng độ thấm tôi và độ cứng (ví dụ, nghiên cứu tại Nhật Bản và Trung Quốc cũng ghi nhận xu hướng tương tự).

Tuy nhiên, tốc độ tôi quá thấp có thể dẫn đến hiện tượng tôi thể tích, gây biến dạng và nứt bề mặt. Do đó, cần cân bằng giữa tốc độ tôi và chất lượng bề mặt. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy tốc độ tôi trong khoảng 0,2-0,3 mm/s là tối ưu cho chi tiết dạng càng.

Sự khác biệt về độ cứng giữa các loại thép phản ánh ảnh hưởng của thành phần hóa học đến khả năng tôi cứng. Thép có hàm lượng cacbon cao hơn như C50 dễ tạo thành Mactenxit hơn, do đó độ cứng bề mặt cao hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ cứng bề mặt theo tốc độ tôi và vị trí đo, cũng như bảng phân bố nhiệt độ mô phỏng trên bề mặt chi tiết.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh tốc độ tôi trong khoảng 0,2-0,3 mm/s nhằm tối ưu hóa độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng, đảm bảo lớp thấm tôi đủ dày và đồng đều, giảm thiểu rủi ro biến dạng và nứt.

  2. Áp dụng công nghệ mô phỏng nhiệt độ bằng phần mềm Comsol trong giai đoạn thiết kế quy trình nhiệt luyện để dự đoán phân bố nhiệt và điều chỉnh thông số công nghệ phù hợp với từng loại chi tiết và vật liệu.

  3. Lựa chọn vật liệu thép có hàm lượng cacbon phù hợp, ưu tiên thép C45 hoặc C50 cho các chi tiết yêu cầu độ cứng cao, đồng thời cân nhắc chi phí và tính khả thi sản xuất.

  4. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành quy trình tôi cảm ứng để kiểm soát chính xác tốc độ tôi và các thông số nhiệt luyện, đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định trong sản xuất công nghiệp.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 6-12 tháng tại các cơ sở chế tạo cơ khí, với sự phối hợp giữa phòng nghiên cứu và sản xuất để đánh giá hiệu quả và điều chỉnh quy trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia công nghệ nhiệt luyện: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý luận và dữ liệu thực nghiệm giúp tối ưu hóa quy trình tôi cảm ứng cho chi tiết phức tạp.

  2. Các nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo: Tham khảo để xây dựng quy trình công nghệ phù hợp, giảm chi phí nhập khẩu vật liệu và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ khí: Là tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về nhiệt luyện và gia công chi tiết máy.

  4. Doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu và chi tiết máy chính xác: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến công nghệ sản xuất, nâng cao độ bền và tuổi thọ sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tốc độ tôi ảnh hưởng như thế nào đến độ cứng bề mặt chi tiết?
    Tốc độ tôi thấp hơn giúp tăng thời gian gia nhiệt, làm tăng nhiệt độ bề mặt và độ thấm tôi, từ đó tăng độ cứng bề mặt. Ví dụ, giảm tốc độ từ 0,5 mm/s xuống 0,2 mm/s có thể tăng độ cứng lên khoảng 15%.

  2. Tại sao chi tiết dạng càng khó áp dụng công nghệ tôi cảm ứng?
    Do biên dạng phức tạp, không đồng đều, gây khó khăn trong việc phân bố nhiệt đều và thiết kế cuộn dây cảm ứng phù hợp, dẫn đến phân bố nhiệt không đồng đều và chất lượng bề mặt không ổn định.

  3. Phần mềm Comsol được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Comsol mô phỏng phân bố nhiệt độ và quá trình gia nhiệt cảm ứng cục bộ, giúp dự đoán ảnh hưởng của các thông số như tốc độ tôi, tần số dòng điện đến nhiệt độ và độ cứng bề mặt chi tiết.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại chi tiết khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho chi tiết dạng càng và các chi tiết có bề mặt cong phức tạp tương tự. Tuy nhiên, nguyên lý và phương pháp có thể điều chỉnh để áp dụng cho các chi tiết khác có hình dạng phức tạp.

  5. Làm thế nào để cân bằng giữa tốc độ tôi và chất lượng bề mặt?
    Cần chọn tốc độ tôi đủ thấp để đạt độ cứng mong muốn nhưng không quá thấp để tránh hiện tượng tôi thể tích gây biến dạng. Thông thường tốc độ trong khoảng 0,2-0,3 mm/s được khuyến nghị dựa trên kết quả thực nghiệm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng tích cực của việc giảm tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng, với mức tăng độ cứng lên đến 15% khi giảm tốc độ từ 0,5 mm/s xuống 0,2 mm/s.
  • Mô phỏng trên phần mềm Comsol hỗ trợ hiệu quả trong việc dự đoán phân bố nhiệt và tối ưu hóa quy trình tôi cảm ứng cục bộ.
  • Vật liệu thép C50 cho kết quả độ cứng bề mặt cao hơn so với C45 và C20, phù hợp cho các chi tiết yêu cầu độ bền cao.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí chính xác, giảm chi phí nhập khẩu vật liệu và tăng tính cạnh tranh cho ngành cơ khí trong nước.
  • Đề xuất triển khai quy trình tôi cảm ứng với tốc độ tôi trong khoảng 0,2-0,3 mm/s và ứng dụng mô phỏng nhiệt độ để kiểm soát chất lượng sản phẩm.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm mở rộng trên các loại chi tiết khác và phát triển công nghệ cuộn dây cảm ứng phù hợp cho các biên dạng phức tạp hơn. Các cơ sở sản xuất được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.