Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật cơ khí nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Hoàng Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser trong luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI
• 1.2. Gang cầu có tổ chức ferit thứ cấp và ausferit
• 1.3. Tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt
• 1.3.1. Tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt trên thế giới
• 1.3.2. Tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt trong nước
• 1.4. Sự hình thành graphit cầu trong gang
• 1.5. Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất gang cầu
• 1.5.1. Carbon và silic
• 1.5.2. Lưu huỳnh và phốt pho
• 1.5.3. Nguyên tố cầu hóa
• 1.5.4. Các nguyên tố hợp kim hoá
• 1.5.5. Các nguyên tố hình thành cacbit và nguyên tố cản cầu
• 1.6. Tính chất và ứng dụng của gang cầu
• 1.6.1. Cơ tính gang cầu ADI nền đa pha
• 1.6.2. Lĩnh vực sử dụng gang cầu ADI nền đa pha
• 1.7. Các phương pháp nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu
• 1.7.1. Nâng cao chất lượng cầu hoá
• 1.7.2. Hợp kim hoá
• 1.7.3. Kết hợp hợp kim hóa và nhiệt luyện
• 1.7.4. Các phương án nhiệt luyện
• 1.8. Chuyển pha trong gang cầu tôi đẳng nhiệt nền đa pha
• 1.8.1. Quá trình austenit hóa
• 1.8.1.1. Tạo mầm austenit
• 1.8.1.2. Sự lớn lên của mầm austenit
• 1.8.1.3. Hành vi của cacbon trong quá trình austenit hoá
• 1.8.2. Chuyển biến austenit thành ferit thứ cấp
• 1.8.3. Chuyển biến ausferit
• 1.8.3.1. Cơ chế chuyển biến
• 1.8.3.2. Độ hạt austenit và graphit
• 1.8.3.3. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ tôi đẳng nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Gang cầu ban đầu
• 2.2. Đánh giá tổ chức tế vi
• 2.3. Phương pháp tính tỷ phần pha austenit sau phản ứng giai đoạn I
• 2.4. Xác định cơ tính và thành phần hoá học
• 2.5. Chế độ nhiệt luyện
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu chuyển biến và tỉ phần pha khi tôi đẳng nhiệt
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Thành phần, tổ chức của gang cầu ở trạng thái đúc
• 3.2. Xác định vùng nhiệt độ tới hạn
• 3.2.1. Xác định nhiệt độ tới hạn bằng giản đồ pha
• 3.2.2. Xác định vùng nhiệt độ tới hạn bằng phương pháp đo giãn nở
• 3.3. Quá trình austenit hóa và hàm lượng cacbon trong austenit
• 3.3.1. Nhiệt độ và thời gian austenite hóa
• 3.3.2. Hàm lượng cacbon trong austenit
• 3.4. Sự hình thành ferit thứ cấp. Chuyển biến đẳng nhiệt (chuyển biến ausferit)
• 3.4.1. Xác định chế độ tôi đẳng nhiệt
• 3.4.2. Sự hình thành tổ chức ausferit trong gang cầu ADI nền đa pha
• 3.4.3. Xác định cửa sổ quá trình
• 3.4.4. Động học chuyển biến ở giai đoạn I
• 3.4.5. Năng lượng hoạt hóa của chuyển biến ausferit
• 3.5. Tổ chức tế vi của gang cầu ADI nền đa pha
• 3.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ austenit hóa
• 3.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ vùng ba pha
• 3.5.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi đẳng nhiệt
• 3.5.4. Ảnh hưởng của thời gian tôi đẳng nhiệt
• 3.6. Cơ tính của gang cầu ADI nền đa pha
• 3.6.1. Độ cứng của gang cầu ADI nền đa pha
• 3.6.2. Độ bền của gang cầu ADI nền đa pha
• KẾT LUẬN
• KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay

Đo lường biên dạng là quá trình xác định hình dạng và kích thước của các chi tiết tròn xoay trong sản xuất cơ khí. Phương pháp quét laser được sử dụng để đo lường chính xác các biên dạng phức tạp. Công nghệ này cho phép thu thập dữ liệu nhanh chóng và chính xác, đặc biệt phù hợp với các chi tiết có hình dạng tròn xoay. Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình đo lường, đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng thực tế.

1.1. Phương pháp quét laser

Phương pháp quét laser sử dụng tia laser để quét bề mặt của chi tiết tròn xoay, tạo ra dữ liệu 3D về hình dạng và kích thước. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả trong việc đo lường các chi tiết có độ phức tạp cao. Hệ thống quét laser được tích hợp các thuật toán xử lý dữ liệu, giúp tăng độ chính xác và giảm thời gian đo lường. Ứng dụng của phương pháp này trong kỹ thuật đo lường đã mang lại nhiều tiến bộ đáng kể trong ngành cơ khí.

1.2. Ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí

Kỹ thuật đo lường bằng quét laser được áp dụng rộng rãi trong sản xuất các chi tiết tròn xoay như trục, bánh răng, và vòng bi. Phương pháp này giúp đảm bảo độ chính xác cao, giảm thiểu sai số trong quá trình gia công. Nghiên cứu kỹ thuật trong luận án tiến sĩ đã chứng minh hiệu quả của việc sử dụng công nghệ quét laser trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Phương pháp nghiên cứu trong luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí tập trung vào việc phân tích và đánh giá hiệu quả của quét laser trong đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay. Các thí nghiệm được thực hiện trên các mẫu vật liệu khác nhau để xác định độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp. Kết quả nghiên cứu cho thấy, quét laser là công cụ hiệu quả trong việc đo lường các chi tiết phức tạp, đặc biệt là trong ngành cơ khí.

2.1. Phân tích dữ liệu quét laser

Dữ liệu thu được từ quét laser được phân tích bằng các thuật toán tiên tiến để xác định biên dạng chi tiết. Phương pháp này cho phép phát hiện các sai lệch nhỏ nhất so với thiết kế ban đầu. Kỹ thuật đo lường này đã được chứng minh là có độ chính xác cao, đáp ứng được yêu cầu khắt khe của ngành cơ khí. Kết quả phân tích là cơ sở để tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2.2. Đánh giá hiệu quả thực tế

Các thử nghiệm thực tế được thực hiện để đánh giá hiệu quả của quét laser trong việc đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay. Kết quả cho thấy, phương pháp này không chỉ đảm bảo độ chính xác cao mà còn giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất. Nghiên cứu kỹ thuật trong luận án tiến sĩ đã góp phần quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ quét laser vào thực tiễn sản xuất cơ khí.

III. Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí về đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser mang lại nhiều giá trị thực tiễn. Phương pháp này không chỉ nâng cao độ chính xác trong sản xuất mà còn giúp giảm thiểu chi phí và thời gian. Kỹ thuật đo lường bằng quét laser đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất các chi tiết tròn xoay phức tạp.

3.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Công nghệ quét laser đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất ô tô đến hàng không vũ trụ. Phương pháp này giúp đảm bảo độ chính xác cao trong việc sản xuất các chi tiết tròn xoay, đồng thời giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công. Nghiên cứu kỹ thuật trong luận án tiến sĩ đã góp phần quan trọng trong việc thúc đẩy ứng dụng quét laser vào thực tiễn sản xuất.

3.2. Tác động đến ngành cơ khí

Việc ứng dụng quét laser trong đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay đã mang lại nhiều tiến bộ đáng kể trong ngành cơ khí. Phương pháp này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí đã chứng minh giá trị thực tiễn của công nghệ quét laser, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành cơ khí trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan nghiên cứu Chương 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận Kết luận và kiến nghị Danh mục các công trình đã công bố Tài liệu tham khảo Phụ lục 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.

Gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI Gang cầu tôi đẳng nhiệt là loại gang có độ dẻo cao, được sản xuất bằng quá trình xử lý nhiệt gang cầu truyên thống, để tạo ra cấu trúc nền chủ yếu là các ferit hình kim nằm trên nền austenit giàu cácbon (còn được gọi là tổ chức ausferit). Công nghệ chế tạo gang ADI có thể tóm tắt như sau. - Gang xám thường được biến tính cầu hoá có mức độ cầu hoá khoảng 90 %. - Gang cầu được nung nóng và giữ đẳng nhiệt ở vùng austenit hoá trong khoảng từ 840 đến 960 oC, giữ đủ thời gian để bão hoà C trong pha austenit, nhận được tổ chức nền hoàn toàn austenit; sau đó làm nguội nhanh tới nhiệt độ dưới A1, giữ nhiệt trong thời gian thích hợp để austenit bão hoà cacbon chuyển biến thành ausfenit và làm nguội tới nhiệt độ phòng.

Sơ đồ tôi đẳng nhiệt gang cầu ADI với 2,4 %Si [1] 4 Sơ đồ tôi đẳng nhiệt gang cầu ADI được mô tả trên hình 1.1 Các chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt: - Tại điểm M, gang đã được austenit hoá hoàn toàn và giữ nhiệt một khoảng thời gian là MN - Sau đó, gang được làm nguội từ điểm N rất nhanh tới điểm P có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit và giữ đẳng nhiệt, sao cho không xuất hiện peclit hoặc ferit trong tổ chức nền kim loại. - Giai đoạn P-F là giai đoạn chuẩn bị (incubation) - Tại điểm F sẽ bắt đầu xảy ra sự chuyển biến pha. Giai đoạn FG gọi là phản ứng giai đoạn 1 của quá trình. Đầu tiên, austenit () bão hoà cacbon tiết ra ferit hình kim (Acicular ferrite-AF).

Cacbon dư sẽ khuếch tán vào austenit, làm austenit giàu C và trở nên ổn định hơn còn gọi là austenit cacbon cao (γHC): γ → AF + γHC (1.1) Tổ chức ferit hình kim trên nền austenit cacbon cao gọi là ausferit. - Tới điểm G: nồng độ bão hoà C trong austenit đã đủ lớn, hàm lượng C có thể đạt tới (1,8 đến 2,2) %, đẩy đường bắt đầu chuyển biến mactensit MS dần thấp hơn nhiệt độ phòng, cho nên có thể nói, austenit trở nên rất ổn định. Phản ứng giai đoạn 1 kết thúc. - Trong khoảng GH, không có phản ứng nào xảy ra.

Chỉ có quá trình ổn định và sắp xếp lại tổ chức, tổ chức hoàn toàn là ausferit. Vùng này còn có tên vùng “cửa sổ quá trình” (Process Window). Nếu tiếp tục kéo dài thời gian giữ đẳng nhiệt qua điểm H , phản ứng giai đoạn 2 sẽ xảy ra. Austenit cacbon cao tiết ra ferit và cacbit: γHC → ferit + cacbit() (1.2) Hỗn hợp hai pha ferit và cacbit- tấm mịn được gọi là tổ chức bainit.

Gang cầu cũng giống như thép hợp kim silic, có hai vùng chuyển biến bainit: bainit trên và bainit dưới. Khi nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt thấp sẽ cho tổ chức của gang ADI mịn hơn cho nên gang có độ bền cao nhưng độ dẻo dai giảm (bảng 1. Các mác gang ADI với nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt [2] Mác gang (Theo Din EN 1564) Nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt (0C) EN-GJS 800-8 370 tới 390 EN-GJS 1.000-5 350 tới 370 EN-GJS 1.200-2 320 tới 350 EN-GJS 1.400-1 280 tới 320 Gang cầu ADI có cơ tính tổng hợp cao, trong khi đó, tính đúc cũng như tính gia công cơ của gang cầu ADI tốt hơn nhiều so với thép. Do vậy, khi chọn gang cầu 5 ADI làm vật liệu để chế tạo các chi tiết thay thế cho thép thì giá thành sẽ giảm đi đáng kể.

Cho nên, làm chủ được công nghệ chế tạo gang cầu ADI, thì có thể chế tạo thiết bị được trên thị trường của các nước đang phát triển. Gang cầu peclit có thể đạt được giới hạn bền kéo ζb = (600 ÷ 800) MPa và độ giãn dài δ = (1 ÷ 5) %, gang cầu ferit có thể đạt được độ bền kéo ζb = (450 ÷ 500) MPa và độ giãn dài δ tới 25%. Đối với gang cầu truyền thống, muốn tăng độ dẻo thì độ bền của gang lại giảm, mặt khác muốn gang cầu có độ bền cao thì độ dẻo lại rất thấp. Bởi vậy, với chi tiết khi làm việc yêu cầu cả độ dẻo và độ bền thì gang cầu truyền thống không đáp ứng được.

Một giải pháp cũng khả thi là phải sử dụng vật liệu thép, sau đó xử lý nhiệt để nâng cao độ bền, tuy nhiên thép lại là vật liệu có tính đúc kém, do vậy giá thành khi chế tạo tăng lên khá nhiều. Gang cầu ADI đáp ứng được các yêu cầu nói trên, vì vậy gang cầu ADI là vật liệu có giá trị của hiện tại và tương lai trong công nghệ chế tạo máy. Gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI có thể đạt giới hạn bền lớn nhất 1200 MPa và độ giãn dài (1 ÷ 5) %. Nếu độ bền đạt 1000 MPa thì độ giãn dài vẫn có thể đạt gần 5 %.

Đây là một ưu việt nổi trội của gang cầu ADI [3]. Gang cầu có tổ chức ferit thứ cấp và ausferit Hình 1. Ảnh hiển vi quang học của gang cầu có tổ chức ferit và ausferit (Chất tẩm thực 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O) [4] Gang cầu tôi đẳng nhiệt nền ferit và austenit (Austempered Ductile Iron with Dual Matrix), được chế tạo nhờ quá trình nhiệt luyện: austenit hóa một phần để tạo thành tổ chức ferit thứ cấp và austenit, sau đó là tôi đẳng nhiệt để austenit chuyển thành tổ chức ausferit (ferit hình kim trên nền austenit cacbon cao). Tổ chức cuối cùng của gang sẽ là ferit thứ cấp và ausferit.

Tổ chức này đảm bảo cho gang có cơ tính tổng hợp khá tốt: độ bền cao kết hợp độ dẻo cũng cao [5] (hình 1. Loại gang cầu ferit và austenit là sự lựa chọn thay thế khả thi để tạo ra hệ thống truyền động và cấu tạo khung gầm trong ngành công nghiệp quốc phòng và chế tạo máy móc tự động, vì nó có giới hạn chảy cao ( 380 ÷ 550) MPa, giới hạn bền kéo cao ( 500 ÷ 900) MPa, độ giãn dài tương đối ( 14 ÷ 20) %, độ bền va đập 6 ( 45 ÷ 55) J/cm2, tính chống chịu với các môi trường ăn mòn tốt, khả năng đúc và gia công tuyệt vời [6, 7, 8, 9]. Sự thay đổi về lượng ausferit được kiểm soát nhờ sử dụng nồng độ silic khác nhau trong gang và giữ nhiệt độ austenit hóa một phần luôn không đổi. Kết quả cho thấy gang cầu với nền ferit-ausferit có độ bền có thể ngang với độ bền của gang cầu tổ chức tế vi peclit, trong khi độ dẻo tương đương với các loại gang cầu ferit [10,11].

Trong gang cầu đẳng nhiệt ferit và ausferit, công đoạn austenit hóa một phần có ảnh hưởng rất mạnh tới các đặc tính cơ học vì nó kiểm soát tỷ phần ferit thứ cấp và ausferit trong tổ chức tế vi cuối cùng. Giai đoạn tôi đẳng nhiệt không có ảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học của loại gang cầu này như đối với gang ADI thông thường [9, 12, 13]. Tuy nhiên, việc giải thích cơ chế của phản ứng bainit trong gang cầu ferit và austenit dựa vào các nghiên cứu với ADI thông thường cũng rất cần thiết. Mối quan hệ giữa độ bền kéo và độ giãn dài đến phá hủy của các loại gang cầu [14] Gang cầu ferit và ausferit có quan hệ ứng suất - biến dạng khác hẳn so với các gang cầu ferit, gang cầu peclit và gang cầu được tôi đẳng nhiệt ADI.3 so sánh mối liên hệ giữa độ bền kéo và độ giãn dài của các loại gang cầu.

So với gang cầu ferit, gang cầu tôi đẳng nhiệt ferit và austenit gần như gấp đôi về độ bền, giới hạn chảy nhưng có độ giãn dài tương tự nhau. So với gang cầu peclit, gang cầu đẳng nhiệt ferit+ausferit có độ bền, giới hạn chảy cao hơn 1 chút và độ giãn dài cao gấp 2 lần. So với gang cầu tôi đẳng nhiệt thông thường (ADI), gang cầu tôi đẳng nhiệt có tổ chức nền ferit và ausferit có độ bền, giới hạn chảy thấp hơn nhưng độ giãn dài tương đối cao gần như gấp đôi [14]. Các tác giả chứng minh rằng, (1) độ cứng tăng khi nhiệt độ austenit hóa tăng, (2) độ cứng và giới hạn chảy có liên quan tuyến tính với nhau, có nghĩa là, khi độ cứng tăng thì giới hạn chảy tăng, (3) nhiệt độ tôi đẳng nhiệt có ít ảnh hưởng tới các đặc tính cơ học, nhưng nó được kiểm soát chủ yếu bởi quá trình austenit hóa một 7 phần của quá trình nhiệt luyện, và (4) quá trình austenit hóa và sau đó là tôi đẳng nhiệt tạo ra loại vật liệu có khả năng gia công tốt hơn, tuổi thọ tốt hơn và tính chống chịu với các môi trường ăn mòn tốt hơn rất nhiều so với ADI thông thường [13, 14, 15].

ADI thông thường được tạo ra bằng quá trình austenit hóa hoàn toàn, sau đó là tôi đẳng nhiệt. Giai đoạn đầu, phản ứng giai đoạn 1, bao gồm quá trình tạo mầm và phát triển mầm ferit. Độ hòa tan thấp của cacbon trong ferit, đồng thời nồng độ silic cao đã làm trì hoãn quá trình tạo cacbit. Khi quá trình bị dừng ở cuối giai đoạn này, austenit có thể có nồng độ cacbon đủ cao để ổn định sau quá trình tôi tới nhiệt độ phòng, điều đó dẫn đến sự hình thành tập hợp ferit và austenit ổn định gọi là ausferit.

Nếu dừng quá trình ở cuối giai đoạn 1, gang sẽ có tính chất cơ học tốt nhất. Giai đoạn thứ 2 của quá trình bắt đầu với sự tạo cacbit, sau đó là sự phát triển các tấm ferit [16, 17, 18, 19]. Hình thái học ausferit phụ thuộc vào nhiệt độ tôi đẳng nhiệt. Ở nhiệt độ tôi đẳng nhiệt cao, động lực cho phản ứng khá thấp và sự khuếch tán cacbon khá cao dẫn đến tỷ phần pha ferit hình kim nhỏ hơn và tỷ phần theo thể tích của austenit lớn hơn.

Ở nhiệt độ thấp, động lực cho phản ứng khá cao và sự khuếch tán cacbon khá chậm và sau đó có nhiều ferit hình kim hơn và ferit hình kim mịn hơn được hình thành [18]. Các nguyên tố hoá học có trong thành phần gang đều có ảnh hưởng đến quá trình chuyển biến. Silic làm trì hoãn quá trình tạo cacbit, nghĩa là mở rộng cửa sổ quá trình ADI. Các nguyên tố hợp kim như là mangan và niken cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất ADI thông thường.