Luận văn thạc sĩ về nghiên cứu mối ghép giữa thép và hợp kim màu trong kỹ thuật cơ khí

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mối ghép giữa thép và hợp kim màu, tập trung vào tính toán thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí.

• Tác giả: Lâm Vĩ Phong
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Hữu Lộc
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Tính Toán Thực Nghiệm Mối Ghép Có Độ Dôi Giữa Thép Và Hợp Kim Màu
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mối ghép có độ dôi

Mối ghép có độ dôi, hay còn gọi là mối ghép thép, là một trong những loại liên kết cơ khí quan trọng trong kỹ thuật cơ khí. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ những thiết bị đơn giản như xe đạp đến những hệ thống phức tạp như ô tô. Ưu điểm lớn nhất của mối ghép có độ dôi là khả năng tải cao, nhờ vào sự chênh lệch giữa đường kính của các chi tiết ghép. Tuy nhiên, việc tính toán và thiết kế cho loại mối ghép này gặp khó khăn do thiếu các tiêu chuẩn rõ ràng cho các cặp vật liệu khác nhau, đặc biệt là giữa thép và hợp kim màu. Nghiên cứu này nhằm mục đích cải thiện khả năng làm việc của mối ghép có độ dôi thông qua việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt ghép.

1.1 Tính toán và thiết kế mối ghép

Việc tính toán và thiết kế mối ghép có độ dôi thường dựa vào lý thuyết đàn hồi. Các tiêu chuẩn như DIN 7190-1 cung cấp những nguyên tắc cơ bản để xác định dung sai và khả năng tải của mối ghép. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn hiện tại chủ yếu chỉ áp dụng cho các cặp vật liệu thép với thép, trong khi thực tế có nhiều ứng dụng khác như giữa thép và hợp kim nhôm hay hợp kim đồng. Điều này đặt ra thách thức lớn cho các kỹ sư trong việc thiết kế mối ghép có độ dôi cho các vật liệu khác nhau.

II. Chất lượng bề mặt và ảnh hưởng đến khả năng tải

Chất lượng bề mặt của các chi tiết ghép có ảnh hưởng lớn đến khả năng tải của mối ghép có độ dôi. Các nghiên cứu cho thấy rằng độ nhám bề mặt và các đặc tính vật lý của bề mặt ghép có thể tác động đến lực tiếp xúc và khả năng chịu tải của mối ghép. Cụ thể, bề mặt nhám hơn có thể dẫn đến tăng cường lực ma sát, từ đó cải thiện khả năng tải. Tuy nhiên, việc xác định chính xác độ nhám và các yếu tố liên quan đến bề mặt ghép vẫn là một thách thức lớn trong thiết kế mối ghép. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố này để tìm ra phương pháp tối ưu hóa khả năng tải của mối ghép giữa thép và hợp kim màu.

2.1 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng tải của mối ghép có độ dôi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi độ nhám bề mặt tăng lên, lực ma sát giữa các bề mặt ghép cũng tăng theo, dẫn đến khả năng chịu tải cao hơn. Tuy nhiên, việc tăng độ nhám cũng có thể dẫn đến những vấn đề khác như tăng độ mài mòn và giảm tuổi thọ của mối ghép. Do đó, cần có một sự cân bằng giữa độ nhám và khả năng chịu tải để đạt được hiệu quả tối ưu trong thiết kế.

III. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện nhằm xác định các đặc trưng của mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim đồng-kẽm. Các mẫu thử nghiệm được thiết kế và thực hiện với nhiều điều kiện khác nhau để phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như độ nhám bề mặt, tải trọng và phương pháp lắp ghép. Kết quả cho thấy rằng, việc tối ưu hóa các thông số thiết kế có thể cải thiện đáng kể khả năng làm việc của mối ghép. Các hệ số tính toán mới được xác định từ nghiên cứu này có thể được áp dụng cho nhiều trường hợp khác nhau, mở rộng khả năng ứng dụng của mối ghép trong kỹ thuật cơ khí.

3.1 Phân tích kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các thông số như độ nhám bề mặt và lực tác động có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của mối ghép có độ dôi. Các số liệu thu thập được từ thí nghiệm đã được phân tích và so sánh với các tiêu chuẩn hiện có, cho thấy sự cần thiết phải điều chỉnh các phương pháp tính toán để phù hợp hơn với thực tế. Điều này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong thiết kế mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim màu đã chỉ ra tầm quan trọng của việc cải thiện chất lượng bề mặt và tối ưu hóa các thông số thiết kế. Các kết quả thu được không chỉ giúp nâng cao khả năng làm việc của mối ghép mà còn góp phần vào việc phát triển các tiêu chuẩn mới cho thiết kế mối ghép trong kỹ thuật cơ khí. Kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo là cần tiếp tục khai thác các yếu tố ảnh hưởng khác đến khả năng tải của mối ghép và phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán tự động cho các trường hợp khác nhau.

4.1 Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và điều kiện làm việc đến khả năng làm việc của mối ghép có độ dôi. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp thử nghiệm mới và tiêu chuẩn hóa các quy trình thiết kế cũng là một hướng đi quan trọng nhằm nâng cao độ tin cậy trong thiết kế mối ghép trong lĩnh vực cơ khí chế tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về đề tài 1.1 Tên đề tài • Tên tiếng Việt: Nghiên cứu và tính toán thực nghiệm mối ghép có độ dôi giữa thép và kim loại màu; • Tên tiếng Anh: Calculation study and experimental research of interference fit between steel and non-ferrous alloy parts; • Từ khóa: Mối ghép độ dôi; thép và hợp kim màu; tính toán thực nghiệm.2 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu các yếu tố liên quan bề mặt ghép (cụ thể thông qua giá trị độ nhám bề mặt), xem xét ảnh hưởng của những yếu tố này đến khả năng tải và các đặc trưng khác của mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim của đồng với kẽm (đồng thau).3 Nội dung đề tài • Nghiên cứu tổng quát về mối ghép có độ dôi, tìm hiểu những kết quả khoa học đã được thực hiện về vấn đề cải thiện khả năng làm việc của mối ghép có độ dôi; • Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến chất lượng bề mặt và những tác động từ yếu tố này đến khả năng tải của mối ghép có độ dôi; • Thực nghiệm và phân tích đặc trưng của bề mặt ghép trong trường hợp mối ghép có độ dôi giữa thép và đồng thau.4 Đối tượng nghiên cứu • Mối ghép có độ dôi có bề mặt trơn, bề mặt ghép hình trụ, cụ thể giữa một chi tiết trục và một chi tiết bạc; • Chi tiết trục là trục đặc có d1 = 0 mm; • Cặp vật liệu giữa trục thép C45 và bạc đồng thau C2680; 1 • Giá trị tải dọc trục tới hạn; • Giá trị độ nhám bề mặt ghép.5 Tính cấp thiết Hiện nay, việc thiết kế chế tạo các chi tiết máy, các hệ thống cơ khí đều được nghiên cứu ứng dụng tự động hóa. Điều này đặt ra vô vàn bài toán tối ưu cho các chuyên gia kỹ thuật, từ các giải pháp giúp tiết kiệm chi phí cho đến các giải pháp rút ngắn thời gian sản xuất. Trong đó, việc chọn ra những phương án lắp ghép phù hợp cho các cấu kiện, lắp ghép giữa các khâu trong hệ thống đóng vai trò rất quan trọng. Tuy nhiên, các phương pháp lắp ghép, liên kết chi tiết máy thông dụng như sử dụng then, chốt hoặc mối ghép ren, thường đi kèm những yêu cầu kỹ thuật phức tạp làm tăng chi phí và kéo dài thời gian sản xuất.

Mối ghép có độ dôi (hay còn gọi là mối ghép chặt) là một trong những phương án lắp ghép thay thế được ứng dụng rộng rãi. Loại liên kết này hoạt động dựa trên nguyên lý về biến dạng đàn hồi của vật liệu, cụ thể phụ thuộc vào giá trị chênh lệch giữa đường kính thực tế giữa các bề mặt lắp ghép. Đặc biệt, mối ghép có độ dôi không yêu cầu thêm chi tiết phụ như then, chốt, ưu điểm này giúp tối ưu được kích thước và thời gian sản xuất tại các vị trí ghép trong hệ thống cơ khí. Từ những lý do trên, có thể nhận thấy nhu cầu thực tế đối với những nghiên cứu về mối ghép có độ dôi là rất lớn.

Nghiên cứu đối với mối ghép có độ dôi chủ yếu bao quát về những nguyên lý thiết kế mối ghép, cũng như những yếu tố tác động đến khả năng làm việc của mối ghép. Cơ bản nhất liên quan đến các thông số hình học chi tiết ghép, các thông số vật liệu dùng để chế tạo, điều kiện làm việc và phương pháp lắp ghép. Hiện trạng các nghiên cứu khoa học liên quan đến mối ghép độ dôi đang chú trọng vào cải thiện khả năng làm việc thông qua cải thiện chất lượng bề mặt ghép, tối ưu các thông số thiết kế và lựa chọn phương án lắp ghép phù hợp nhất. Từ đây, mục đích nghiên cứu của đề tài cũng được hình thành.6 Tính khoa học và ứng dụng Đề tài nghiên cứu về phương pháp tính toán, thiết kế và thực nghiệm những yếu tố tác động đến mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim màu, cụ thể là đồng thau.

Đề tài bổ sung được một số phân tích thực nghiệm xét cho cặp vật liệu thép-đồng thau vào cơ sở những nghiên cứu đã có trong nước và quốc tế. Một trong những đóng góp chính của đề tài là việc xác định được giá trị độ dôi tương đối và hằng số mối ghép cho trường hợp giữa thép và đồng thau.2 Lập kế hoạch nghiên cứu 1.1 Xác định các nội dung cần thực hiện Nội dung 1: Lập kế hoạch; Nội dung 2: Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết tính toán mối ghép có độ dôi và các vấnđề liên quan; Nội dung 3: Nghiên cứu, thực nghiệm và phân tích đặc trưng mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau; Nội dung 4: Viết báo cáo và thuyết minh đề tài nghiên cứu.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của từng nội dung Nội dung 1: Lập kế hoạch • Mục tiêu nội dung 1: Xác định cụ thể các công việc cần hoàn thành trong quá trình nghiên cứu, phân bổ tài nguyên phù hợp và đưa ra lịch trình làm việc cụ thể. • Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Bảng kế hoạch thực hiện theo tuần cho từng nội dung nghiên cứu. • Công việc thực hiện: Đánh giá các yêu cầu của đề tài; đặt ra những nội dung sơ bộ cần thực hiện; phân bố tài nguyên thích hợp cho lịch trình thực hiện dựa trên khoảng thời gian cho phép thực hiện Luận văn theo quy định.

• Phương pháp: Khảo sát và tổng hợp. Nội dung 2: Giới thiệu về mối ghép có độ dôi và các vấn đề liên quan • Mục tiêu nội dung 2: Tổng hợp cơ sở lý thuyết mối ghép có độ dôi. 3 • Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Nội dung tập hợp các công trình nghiên cứu đã công bố quốc tế và trong nước liên quan đến đề tài. • Công việc thực hiện: Tìm và chọn lọc các tài liệu thông qua các nguồn tài liệu có uy tín; trình bày nội dung các thông số ảnh hưởng và các yếu tố liên quan đến mối ghép có độ dôi.

• Phương pháp: Khảo sát và tổng hợp. Nội dung 3: Nghiên cứu, thực nghiệm và phân tích đặc trưng mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau • Mục tiêu nội dung 3: Xác định đặc trưng của mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau. • Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Kết quả phân tích thực nghiệm cùng bộ mẫu chi tiết ghép giữa thép-đồng thau. • Công việc thực hiện: Tổng hợp nội dung nghiên cứu đã có về đặc trưng của mối ghép có độ dôi giữa thép-hợp kim màu; phân tích sự khác nhau giữa cặp vật liệu thép-đồng thau và thép-thép; đặt ra vấn đề nghiên cứu cần thiết cho cặp vật liệu giữa thép-đồng thau; phân tích kết quả thực nghiệm và đưa ra kết luận.

• Phương pháp: Khảo sát, thực nghiệm, phân tích và tổng hợp. Nội dung 4: Viết báo cáo và thuyết minh đề tài nghiên cứu • Mục tiêu nội dung 4: Hoàn thành báo cáo và thuyết minh của đề tài. • Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Báo cáo tổng kết đề tài; bài báo khoa học đăng tạp chí và hội nghị. • Công việc thực hiện: Tổng hợp các kết quả phân tích thực nghiệm; hệ thống các nội dung dự kiến báo cáo; viết báo cáo và thuyết minh đề tài; tổng hợp nội dung các bài báo khoa học.

• Phương pháp: Phân tích và tổng hợp.3 Xác định nhiệm vụ và bảng kế hoạch Xác định những nhiệm vụ cụ thể với các nội dung đã tổng hợp sơ bộ, bao gồm: • Nhiệm vụ 1: Lập kế hoạch; 4 • Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu lý thuyết; • Nhiệm vụ 3: Thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau; • Nhiệm vụ 4: Phân tích kết quả thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau; • Nhiệm vụ 5: Tổng hợp nội dung đặc trưng mối ghép thép-đồng thau; • Nhiệm vụ 6: Báo cáo đề tài.1 Kế hoạch thực hiện từng nhiệm vụ của Luận văn Học viên thực hiện: Lâm Vĩ Phong GVHD: PGS. Nguyễn Hữu Lộc Tuần Ngày bắt đầu: 22/08/2022 STT Nhiệm vụ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 Lập kế hoạch 2 Nghiên cứu lý thuyết Thực nghiệm đặc trưng mối 3 ghép thép-đồng thau Phân tích kết quả thực 4 nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau Tổng hợp nội dung đặc trưng 5 mối ghép thép-đồng thau 6 Báo cáo đề tài 1.3 Tổng quan tài liệu Những nghiên cứu về mối ghép có độ dôi từ trước đến nay thường tập trung vào cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế mối ghép, đồng thời kết hợp một số phân tích thực nghiệm nhằm đưa ra những nhận xét, giải pháp kỹ thuật giúp nâng cao khả năng làm việc của mối ghép. Theo Timoshenko và Goodier, cơ sở của mối ghép có độ dôi xuất phát từ bài toán ống dày, dựa trên lý thuyết đàn hồi của vật liệu [1]. Lý thuyết này đặt ra nền móng xây dựng hầu hết các tiêu chuẩn tính toán, lựa chọn mối ghép có độ dôi như DIN 7190-1 [2], hay tương ứng ISO 286-1 [3].

Về cơ bản, các tiêu chuẩn như DIN 7190-1 [2] nêu ra hàng loạt các lý thuyết tính toán đã được kiểm chứng, cùng những yếu tố ảnh hưởng đến kết quả tính toán, 5 cụ thể như giá trị độ nhám bề mặt ghép của các chi tiết và ngoài ra xem xét một số vấn đề liên quan đến ứng suất sinh ra trong mối ghép. Tuy nhiên, lý thuyết được dùng nhiều hơn cả từ tiêu chuẩn DIN 7190-1 có liên quan đến lý thuyết đàn hồi của bài toán ống dày, rõ ràng hơn thông qua phương pháp min-max để xác định dung sai mối ghép có độ dôi. Khả năng tải của mối ghép có độ dôi được thể hiện qua giá trị áp suất tiếp xúc sinh ra trên bề mặt ghép [1], nhưng để đo trực tiếp giá trị này trong thực tế vô cùng khó khăn. Vì thế, giá trị này thường được đánh giá một cách gián tiếp thông qua việc xác định giá trị lực tháo dọc trục hay mô-men tháo tới hạn.

Yang và đồng sự đã đưa ra một hướng dự đoán khả năng tải của mối ghép có độ dôi có độ chính xác cao hơn các tiêu chuẩn tính tại thời điểm đó, cụ thể thông qua việc xác định chính xác những phần thất thoát độ dôi phụ thuộc vào độ nhám bề mặt chi tiết ghép, kết hợp lượng thất thoát do biến dạng dẻo của những phần nhấp nhô trên bề mặt ghép [4, 5]. Ngoài ra, một nghiên cứu khác của nhóm tác giả M. McMillan đã đưa ra các kết luận liên quan đến giới hạn làm việc của mối ghép có độ dôi khi xét nhiều chịu tải khác nhau [6].