Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng, cung cấp thông tin hữu ích cho ngành cơ khí.

• Tác giả: Lê Văn Vinh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Tốc Độ Tôi Đến Độ Cứng Bề Mặt Chi Tiết Dạng Càng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• QUYẾT ĐỊNH
• BIÊN BẢN CHẤM CỦA HỘI ĐỒNG
• NHẬN XÉT CỦA 02 PHẢN BIỆN
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.3.1. Mục tiêu tổng quát
• 1.3.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.6. Các nghiên cứu ngoài nước và trong nước
• 1.6.1. Nghiên cứu ngoài nước
• 2. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng không chỉ có ý nghĩa trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn là một chỉ số quan trọng để đánh giá trình độ phát triển khoa học và công nghệ của một quốc gia. Việc áp dụng công nghệ nhiệt luyện bằng phương pháp tôi cảm ứng bề mặt cục bộ đã được nhiều quốc gia nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên, việc áp dụng cho các chi tiết phức tạp như chi tiết dạng càng vẫn chưa phổ biến. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở lý luận và thông số công nghệ khả thi cho các cơ sở chế tạo cơ khí, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và tính cạnh tranh trong ngành chế tạo. Đặc biệt, nghiên cứu này sẽ giúp giảm thiểu chi phí trong quá trình tôi bề mặt phức tạp và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

1.1. Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu này sẽ xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ tôi và độ cứng đạt được trên bề mặt chi tiết trong quá trình tôi bề mặt. Việc thực nghiệm và mô phỏng trên phần mềm Comsol sẽ giúp làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng vào việc tôi các chi tiết có bề mặt cong phức tạp, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế và tăng tính cạnh tranh trong lĩnh vực chế tạo sản phẩm cơ khí. Việc áp dụng các thông số công nghệ từ nghiên cứu này sẽ giúp các cơ sở chế tạo có được quy trình sản xuất hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tìm hiểu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt của chi tiết dạng càng. Cụ thể, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc xác lập quy trình phân tích và tính toán quá trình tôi cục bộ cho các chi tiết cơ khí chính xác. Bên cạnh đó, việc thiết kế chi tiết “Cần gạt cho khuôn dập tấm” và mô phỏng quá trình ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt trên phần mềm Comsol cũng là một trong những mục tiêu quan trọng. Thực nghiệm các thông số tôi cục bộ với sản phẩm “Cần gạt” sẽ được thực hiện để kiểm tra độ cứng của bề mặt cần tôi.

2.1. Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

2.2. Mục tiêu cụ thể

Xác lập quy trình phân tích, tính toán quá trình tôi cục bộ cho các chi tiết cơ khí chính xác. Thiết kế và thực nghiệm các thông số tôi cục bộ với sản phẩm “Cần gạt” để kiểm tra độ cứng bề mặt.

III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là công nghệ tôi cảm ứng từ bề mặt nhằm nâng cao cơ tính vật liệu chi tiết. Nghiên cứu sẽ tập trung vào các thông số về tốc độ tôi trong quá trình tôi ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết. Phạm vi nghiên cứu sẽ bao gồm việc mô phỏng ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng trên phần mềm Comsol và thực nghiệm các thông số thay đổi về tốc độ tôi, vật liệu. Nghiên cứu sẽ được thực hiện trong khuôn khổ các chi tiết có bề mặt cong phức tạp, nhằm cung cấp thông tin hữu ích cho các ứng dụng trong thực tiễn.

3.1. Đối tượng nghiên cứu

Công nghệ tôi cảm ứng từ bề mặt nhằm nâng cao cơ tính vật liệu chi tiết, đặc biệt là các chi tiết dạng càng.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

Mô phỏng và thực nghiệm các thông số tôi cục bộ với các thay đổi về tốc độ tôi và vật liệu, tập trung vào các chi tiết có bề mặt cong phức tạp.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu Trong Cơ khí chế tạo nhiệt luyện đóng một vai trò quan trọng vì không những nâng cao chất lượng sản phẩm như kéo dài thời gian làm việc của chi tiết mà còn là thước đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi quốc gia. Ngày nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nhiệt luyện bằng phương pháp tôi cảm ứng bề mặt cục bộ nhằm nâng cao cơ tính vật liệu chi tiết. Đa phần các ứng dụng tập trung vào tôi cảm ứng bề mặt chi tiết dạng trục và các chi tiết yêu cầu độ mài mòn khi làm việc như bánh răng, cơ cấu cam… Tuy nhiên việc áp dụng tôi cảm ứng cho các chi tiết phức tạp, có biên dạng không đồng đều, đặc biệt là chi tiết dạng càn vẫn chưa phổ biến.

Nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới còn bí mật về công nghệ nhiệt luyện này. Quá trình xử lý nhiệt bề mặt chi tiết đòi hỏi một quy trình chặt chẽ có kiểm soát thời gian, tốc độ trao đổi nhiệt trên vật liệu. Việc xử lý nhiệt trong quá trình tôi cục bộ cho các chi tiết thường được đơn giản hoá thành các cấu hình khối trụ đơn giản với tiết diện là hình tròn, hình chữ nhật, hình vuông. Tuy nhiên trong sản xuất công nghiệp, máy móc thiết bị cơ khí luôn luôn đa dạng về kết cấu, đa dạng về chủng loại, … đòi hỏi chi tiết máy phải đa dạng về cấu hình chi tiết và việc áp dụng tôi cảm ứng cho các chi tiết phức tạp, có biên dạng không đồng đều, đặc biệt là chi tiết dạng càng vẫn chưa phổ biến.

Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ tôi chi tiết dạng càng nói riêng và tôi chi tiết có bề mặt cong phức tạp nói chung ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt chi tiết tôi. Để góp phần vào định hướng giảm các chi phí trong quá trình tôi bề mặt phức tạp và đem lại chất lượng sản phẩm tôi tốt nhất cho các chi tiết cơ khí. Kết quả của đề tài sẽ góp phần giúp cho các cơ sở chế tạo cơ khí có được cơ sở lý luận, các thông số công nghệ khả thi áp dụng vào quy trình chế tạo, sản xuất ở đơn vị mình. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.

Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng dựa trên quá trình thực nghiệm thay đổi thông số tốc độ tôi và thay đổi về vật liệu dựa trên quá trình mô phỏng trên phần mềm Comsol. - Xác định được mối quan hệ giữa nhiệt độ tôi với độ cứng đạt được trên bề mặt chi tiết trong quá tôi bề mặt. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu đạt được có thể ứng dụng vào việc tôi các chi tiết có bề mặt cong phức tạp. - Mang lại hiệu quả kinh tế và tăng tính cạnh tranh trong lĩnh vực chế tạo các sản phẩm Cơ khí.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1. Mục tiêu tổng quát Thông qua quá trình nghiên cứu đề tài sẽ tập trung vào mục tiêu chung: Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng. Mục tiêu cụ thể - Xác lập qui trình phân tích, tính toán quá trình tôi cục bộ cho các chi tiết cơ khí chính xác. - Thiết kế chi tiết “ Cần gạt cho khuôn dập tấm” và mô phỏng quá trình ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng trên phần mềm Comsol.

- Thực nghiệm các thông số tôi cục bộ với sản phẩm “Cần gạt cho khuôn dập tấm”: + Chế tạo sản phẩm mẫu dùng cho thực nghiệm + Thực nghiệm tôi cục bộ với các thông số thay đổi: • Tốc độ di chuyển • Vật liệu + Kiểm tra độ cứng của bề mặt cần tôi 2 Luan van - Tổng kết các kết quả nghiên cứu của đề tài Hình 1. Chi tiết dạng càng “Cần gạt”. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu - Công nghệ tôi cảm ứng từ bề mặt nhằm nâng cao cơ tính vật liệu chi tiết; - Các thông số về tốc độ tôi trong quá trình tôi ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết tôi.

Phạm vi nghiên cứu Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu các công việc sau đây được thực hiện: - Mô phỏng ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng trên phần mềm Comsol. - Thực nghiệm tôi cục bộ với các thông số thay đổi về tốc độ tôi, vật liệu. Tính cấp thiết của đề tài: Trong quá trình phát triển của ngành cơ khí, các công nghệ về dập, đùn, kéo, đúc chính xác trong khuôn có kích thước hoàn chỉnh, đạt độ bóng theo yêu cầu và công nghệ gia công chi tiết máy có độ chính xác cao đang ngày một phát triển. Hiện nay các vật liệu từ thép dụng cụ hợp kim bền nguội và thép dụng cụ hợp kim bền nóng, điển hình là thép SKD11 (thép làm khuôn dập nguội, tương đương như X12, X12M), thép SKD61 (thép bền nóng, tương đương 40Cr5MoV, H13) có sẵn trên thị trường do các nhà sản xuất của Nhật Bản và CHLB Đức cung cấp).

Theo số liệu thống kê thì nguồn nguyên vật liệu cho quá trình sản xuất mà cụ thể là thép cho ngành cơ khí phụ thuộc rất nhiều vào thép nhập khẩu từ nước ngoài. Yêu cầu đầu tiên là giảm đến mức tối thiểu hàm lượng thép cơ khí nhập khẩu nước ngoài. Đặc biệt các thép cơ tính cao được sử dụng cho quá trình gia công khuôn nói chung, các chi tiết máy nói riêng chiếm tỷ trọng khá lớn về cả số lượng và giá thành. Do đó để làm giảm nguồn nhập khẩu thép có cơ tính cao bằng cách thay thế vật liệu có cơ tính gần tương đương hoặc sử dụng thép thường gia công rồi tiến hành tôi để tăng độ cứng mà đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Việc xử lý nhiệt trong quá trình tôi cục bộ cho các chi tiết thường được đơn giản hoá thành các cấu hình khối trụ đơn giản với tiết diện là hình tròn, hình chữ nhật, hình vuông. Tuy nhiên trong sản xuất công nghiệp, máy móc thiết bị cơ khí luôn luôn đa dạng về kết cấu, đa dạng về chủng loại, … đòi hỏi chi tiết máy phải đa dạng về cấu hình chi tiết và việc áp dụng tôi cảm ứng cho các chi tiết phức tạp, có biên dạng không đồng đều, đặc biệt là chi tiết dạng càng vẫn chưa phổ biến. Để góp phần vào định hướng giảm các chi phí về vật liệu và áp dụng công nghệ tôi bề mặt chi tiết có biên dạng phức tạp và đem lại chất lượng sản phẩm tôi tốt nhất cho các chi tiết máy. Đề tài: ”Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng”.

Kết quả của đề tài sẽ góp phần giúp cho các cơ sở chế tạo cơ khí có được cơ sở lý luận, các thông số công nghệ khả thi áp dụng vào quy trình chế tạo, sản xuất ở đơn vị mình. Các nghiên cứu ngoài nước và trong nước 1. Nghiên cứu ngoài nước Ngày nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tôi cảm ứng từ bề mặt nhằm nâng cao cơ tính vật liệu chi tiết. Đa phần các ứng dụng tập trung vào tôi cảm ứng bề mặt chi tiết trục và các chi tiết yêu cầu độ mài mòn khi làm việc như bánh răng, cơ cấu cam… Tuy nhiên việc áp dụng tôi cảm ứng cho mặt phẳng đặc biệt các bề mặt cong phức tạp vẫn chưa phổ biến.

Có thể kể ra một số công trình tiêu biểu như sau: - “Numerical and experimental analysis of 3D spot induction hardening of AISI 1045 steel” (Mô phỏng và thực nghiệm tôi cảm ứng từ cục bộ bề mặt cho vật liệu thép AISI 1045) [1], bài báo khoa học của các tác giả Kai Gao, Xunpeng Qin, Zhou Wang, Hao Chen, Shengxiao Zhu, Yanxiong Liu, Yanli Song – Khoa công nghệ vật liệu – Đại học Vũ Hán – Trung Quốc, xuất bản năm 2014 bởi Tạp chí khoa học vật liệu. Quá trình gia nhiệt cảm ứng bằng cuộn dây đồng khi tôi sẽ được mô phỏng trên phần mềm ANSYS để xác định thông số nhiệt độ tối ưu. Quá trình tôi cảm ứng được thực hiện ở nhiệt độ 850oC sau đó tiến hành làm nguội với tốc độ 200oC/giây để thu được hoàn toàn Mactenxit như yêu cầu. Dựa trên giản đồ CCT tác giả nhận xét nếu tốc độ làm nguội giảm dần xuống 21oC/giây thì tỷ lệ Peclit sẽ tăng dần từ 0 đến 100% và khi đó quá trình gia tôi thép không đạt.

Giá trị độ cứng đạt được sau khi tôi lớn nhất lên đến 690 HV (60 HRC). Bằng cách chia lưới và xác định thành phần kim tương mặt cắt ngang chi tiết, kết quả cho thấy độ thấm tôi đạt được là 1,6 mm dựa trên hình ảnh hiển thị thành phần phần trăm của Mactenxit và Peclit tại các vị trí được chia lưới. 5 Luan van Hình 1. Mô hình và kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt trên Ansys - “Development of induction surface hardening process for small diameter carbon steel specimens” (Nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ bề mặt cho các chi tiết trụ nhỏ vật liệu thép) [2], bài báo khoa học của các tác giả Daisuke Suzuki, Koji Yatsushiro, Seiji Shimizu, Yoshio Sugita, Motoki Saito, Katsuhiko Kubota – Trung tâm Công nghiệp Yamanashi – Nhật Bản, xuất bản năm 2009 bởi viện nghiên cứu JCPDS.

Trong công trình nghiên cứu của mình, các tác giả sử dụng dòng điện tần số rất cao lên đến 2MHz nhằm tôi cảm ứng từ bề mặt chi tiết hình trụ có đường kính 6 mm. Kết quả đạt được độ thấm tôi bề mặt là 0,4 mm với độ cứng lên đến 600 HV (56 HRC). Với chi tiết đường kính 3 mm thì độ thấm tôi bề mặt đạt được là 0,09 mm và độ cứng đạt 600 HV (56 HRC). Việc sử dụng dòng điện với tần số cực cao cho phép tôi cảm ứng được các chi tiết nhỏ so với các phương pháp khác chỉ tôi được thể tích trong trường hợp chi tiết nhỏ.

Các thí nghiệm được thực hiện với các điều kiện tốc độ di chuyển chi tiết so với cuộn dây cảm ứng trong quá trình tôi (Không sử dụng các chương trình mô phỏng nhiệt). Kết quả cho thấy tốc độ di chuyển phôi càng nhanh thì độ thấm tôi và độ cứng càng giảm.