Nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC cho mặt phẳng

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ cnc cho mặt phẳng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Hồ Công Minh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Máy
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC cho mặt phẳng
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Trang tựa
• TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
• BIÊN BẢN CHẤM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu
• 1.1.1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước
• 1.1.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.5.2. Giới hạn đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở lý thuyết công nghệ vật liệu kim loại
• 2.1.1. Sơ lược về sắt và tinh thể sắt
• 2.1.2. Giản đồ pha Fe – C (Fe – Fe3C)
• 2.1.2.1. Tương tác giữa sắt và cacbon
• 2.1.2.2. Giản đồ pha Fe–C (Fe – Fe3C)
• 2.1.3. Cấu trúc và tính chất các pha trong hợp kim
• 2.1.3.1. Các tổ chức một pha
• 2.1.3.2. Các tổ chức hai pha
• 2.2. Cơ sở lý thuyết công nghệ nhiệt luyện
• 2.2.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép
• 2.2.1.1. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện
• 2.2.1.2. Phân loại nhiệt luyện thép
• 2.2.1.3. Vai trò của nhiệt luyện đối với ngành sản xuất cơ khí
• 2.2.2. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành Austenit
• 2.2.2.1. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung
• 2.2.2.2. Đặc điểm của chuyển biến Peclit thành Austenit
• 2.2.2.3. Mục đích của giữ nhiệt
• 2.2.3. Các chuyển biến của Austenit khi làm nguội chậm
• 2.2.3.1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Austenit quá nguội (giản đồ T-T- T) của thép cùng tích
• 2.2.3.2. Sự phân hóa Austenit khi làm nguội liên tục
• 2.2.3.3. Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích
• 2.2.4. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến Mactenxit khi tôi
• 2.2.4.1. Bản chất của Mactenxit
• 2.2.4.2. Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit
• 2.2.4.3. Cơ tính của Mactenxit
• 2.2.5. Định nghĩa và mục đích
• 2.2.6. Chọn nhiệt độ tôi thép
• 2.2.7. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi
• 2.2.8. Các phương pháp tôi thể tích
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHIỆT LUYỆN THÉP C45 VÀ SS400 BẰNG MÁY TÔI CNC CAO TẦN
• 3.1. Thông số nhiệt luyện thép C45
• 3.1.1. Đặc tính thép C45
• 3.1.2. Quy trình nhiệt luyện thép C45
• 3.1.3. Thông số tôi thép C45
• 3.2. Thông số nhiệt luyện thép SS400
• 3.2.1. Đặc tính thép SS400
• 3.2.2. Thông số tôi thép SS400
• 3.3. Lý thuyết tôi cảm ứng từ CNC
• 3.3.1. Tổng quan phương pháp tôi cảm ứng từ bề mặt
• 3.3.2. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện từ
• 3.3.2.1. Nguyên lý nung nóng bề mặt
• 3.3.2.2. Chọn tần số và thiết bị
• 3.3.2.3. Các phương pháp tôi
• 3.3.3. Tổ chức và cơ tính của thép sau quá trình tôi cảm ứng
• 3.3.4. Thông số nhiệt luyện
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS
• 4.1. Mô hình thí nghiệm
• 4.1.1. Thiết kế cuộn dây cảm ứng
• 4.1.2. Mô hình mô phỏng
• 4.2. Kết quả mô phỏng
• 4.2.1. Trường hợp 1: Gia nhiệt tại một vị trí
• 4.2.2. Trường hợp 2: Di chuyển cuộn dây dọc trục X
• 4.2.3. Trường hợp 3: Di chuyển cuộn dây dọc trục Y
• 4.3. Lựa chọn phương án gia nhiệt dựa trên kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM TÔI CẢM ỨNG TỪ CỤC BỘ CNC CHO MẶT PHẲNG
• 5.1. Chuẩn bị mẫu thép
• 5.1.1. Kích thước mẫu thép
• 5.1.2. Chuẩn bị mẫu thép
• 5.2. Thiết bị tôi cao tần
• 5.3. Thông số tôi cảm ứng từ
• 5.4. Quy trình tôi cảm ứng từ
• 5.5. Kết quả tôi cảm ứng từ các mẫu thép
• 5.5.1. Mẫu số 1: Thép C45 kích thước 150 x 150 x 10 mm
• 5.5.1.1. Thông số quá trình tôi cảm ứng
• 5.5.1.2. Kết quả đo độ cứng
• 5.5.1.3. Kết quả đánh giá cấu trúc tế vi và chiều sâu thấm tôi
• 5.5.2. Mẫu số 2: Thép C45 kích thước 200 x 170 x 8 mm
• 5.5.2.1. Thông số quá trình tôi cảm ứng
• 5.5.2.2. Kết quả đo độ cứng
• 5.5.3. Mẫu số 3: Thép C45 kích thước 200 x 200 x 10 mm
• 5.5.3.1. Thông số quá trình tôi cảm ứng
• 5.5.3.2. Kết quả đo độ cứng
• 5.5.4. Mẫu số 4: Thép SS400 kích thước 200 x 170 x 8 mm
• 5.5.4.1. Thông số quá trình tôi cảm ứng
• 5.5.4.2. Kết quả đo độ cứng
• 5.5.5. Mẫu số 5: Thép SS400 kích thước 280 x 170 x 8 mm
• 5.5.5.1. Thông số quá trình tôi cảm ứng
• 5.5.5.2. Kết quả đo độ cứng
• 5.5.6. Mẫu số 6: Thép SS400 kích thước 280 x 170 x 8 mm
• 5.5.6.1. Thông số quá trình tôi cảm ứng
• 5.5.6.2. Kết quả độ cứng
• 5.6. Nhận xét quá trình thí nghiệm
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• BÀI BÁO KHOA HỌC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ CNC

Nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ CNC cho bề mặt thép carbon đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghiệp chế tạo. Phương pháp này không chỉ giúp nâng cao độ cứng bề mặt mà còn cải thiện tính chất cơ học của vật liệu. Việc áp dụng công nghệ này vào sản xuất giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa quy trình tôi cảm ứng từ có thể mang lại những kết quả vượt trội trong việc cải thiện độ bền và khả năng chống mài mòn của thép carbon.

1.1. Tầm quan trọng của tôi cảm ứng từ trong công nghiệp

Phương pháp tôi cảm ứng từ CNC đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất máy móc đến chế tạo linh kiện ô tô. Việc cải thiện độ cứng bề mặt giúp tăng tuổi thọ sản phẩm và giảm thiểu chi phí bảo trì. Nghiên cứu cho thấy rằng, với thép carbon, phương pháp này có thể tạo ra lớp bề mặt cứng hơn, từ đó nâng cao khả năng chịu mài mòn.

1.2. Các nghiên cứu trước đây về tôi cảm ứng từ

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng phương pháp tôi cảm ứng từ có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của thép carbon. Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số như tần số và thời gian gia nhiệt có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và độ cứng của vật liệu. Những nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ tôi cảm ứng từ trong sản xuất.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tôi cảm ứng từ

Mặc dù phương pháp tôi cảm ứng từ mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian gia nhiệt để đạt được độ cứng mong muốn mà không làm hỏng cấu trúc vật liệu. Ngoài ra, việc thiết kế cuộn dây cảm ứng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình tôi.

2.1. Kiểm soát nhiệt độ trong quá trình tôi

Kiểm soát nhiệt độ là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của quá trình tôi cảm ứng từ. Nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến việc làm hỏng cấu trúc vật liệu, trong khi nhiệt độ quá thấp không đủ để tạo ra lớp bề mặt cứng. Do đó, việc sử dụng các thiết bị đo lường chính xác và công nghệ điều khiển tự động là rất cần thiết.

2.2. Thiết kế cuộn dây cảm ứng hiệu quả

Thiết kế cuộn dây cảm ứng là một yếu tố quan trọng trong quá trình tôi cảm ứng từ. Cuộn dây cần được thiết kế sao cho tạo ra từ trường mạnh và đồng đều trên bề mặt vật liệu. Việc tối ưu hóa hình dạng và kích thước của cuộn dây có thể giúp cải thiện hiệu quả gia nhiệt và độ đồng đều của lớp bề mặt cứng.

III. Phương pháp tôi cảm ứng từ CNC cho bề mặt thép carbon

Phương pháp tôi cảm ứng từ CNC cho bề mặt thép carbon được thực hiện thông qua việc sử dụng máy CNC để điều khiển quá trình gia nhiệt. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác các thông số gia nhiệt, từ đó đạt được độ cứng mong muốn trên bề mặt vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng công nghệ này có thể mang lại những kết quả vượt trội trong việc cải thiện tính chất cơ học của thép carbon.

3.1. Quy trình thực hiện tôi cảm ứng từ CNC

Quy trình thực hiện tôi cảm ứng từ CNC bao gồm các bước chuẩn bị mẫu, thiết lập thông số gia nhiệt và thực hiện quá trình tôi. Mỗi bước đều cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo đạt được kết quả tốt nhất. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng cũng giúp tối ưu hóa quy trình này.

3.2. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình tôi

Các thông số như tần số, thời gian gia nhiệt và hình dạng cuộn dây cảm ứng đều ảnh hưởng đến kết quả của quá trình tôi. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc điều chỉnh các thông số này có thể giúp cải thiện đáng kể độ cứng và tính chất cơ học của bề mặt thép carbon.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp tôi cảm ứng từ CNC có thể cải thiện đáng kể độ cứng bề mặt của thép carbon. Các mẫu thử nghiệm đã được kiểm chứng và đánh giá qua phương pháp đo độ cứng và phân tích cấu trúc kim tương. Kết quả cho thấy rằng, tổ chức Mactenxit đạt được sau khi tôi có ảnh hưởng lớn đến độ cứng bề mặt của chi tiết.

4.1. Kết quả thí nghiệm với thép C45

Các mẫu thép C45 sau khi được tôi cảm ứng từ cho thấy độ cứng tăng lên rõ rệt. Kết quả đo độ cứng cho thấy rằng, lớp bề mặt cứng đạt được có độ cứng cao hơn so với các mẫu chưa được tôi. Điều này chứng tỏ hiệu quả của phương pháp tôi cảm ứng từ CNC trong việc cải thiện tính chất cơ học của thép carbon.

4.2. Phân tích cấu trúc kim tương sau khi tôi

Phân tích cấu trúc kim tương cho thấy rằng, tổ chức Mactenxit xuất hiện chủ yếu tại khu vực bề mặt, trong khi các vùng bên trong vẫn giữ nguyên cấu trúc Peclit. Điều này cho thấy rằng, phương pháp tôi cảm ứng từ có khả năng tạo ra lớp bề mặt cứng mà không làm thay đổi cấu trúc bên trong của vật liệu.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu tôi cảm ứng từ

Nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ CNC cho bề mặt thép carbon đã chỉ ra rằng, đây là một giải pháp hiệu quả để nâng cao độ cứng và tính chất cơ học của vật liệu. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều ứng dụng mới trong công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong việc sản xuất các chi tiết yêu cầu độ bền cao.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, phương pháp tôi cảm ứng từ CNC có thể cải thiện đáng kể độ cứng bề mặt của thép carbon. Việc tối ưu hóa quy trình và các thông số gia nhiệt là rất cần thiết để đạt được kết quả tốt nhất.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng sang việc áp dụng phương pháp tôi cảm ứng từ cho các bề mặt phức tạp hơn, cũng như nghiên cứu các vật liệu mới. Việc kết hợp công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo trong việc tối ưu hóa quy trình cũng là một hướng đi tiềm năng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành cơ khí chế tạo và công nghệ khuôn mẫu tại Việt Nam đang chịu áp lực rất lớn về nguồn nguyên vật liệu khi số liệu thống kê cho thấy năm 2016 nước ta đã chi hơn 10,4 tỷ USD để nhập khẩu sắt thép các loại, đứng thứ 5 trong danh mục 10 mặt hàng nhập khẩu lớn nhất. Các dòng thép cơ tính cao phục vụ chế tạo khuôn mẫu đòi hỏi độ cứng bề mặt đạt từ 60 đến 70 HRC thường có giá thành rất cao và hoàn toàn phụ thuộc vào nguồn cung ngoại nhập. Trong thực tế sản xuất, giải pháp nhiệt luyện tôi thể tích truyền thống cho các chi tiết dạng tấm phẳng hay lòng khuôn thường gây ra biến dạng cong vênh lớn, làm sai lệch độ chính xác kích thước và giảm chất lượng độ nhám bề mặt.

Để giải quyết bài toán cấp thiết này, đề tài nghiên cứu đã tập trung vào giải pháp phát triển công nghệ tôi cảm ứng từ bề mặt cục bộ điều khiển bằng hệ thống CNC 3 trục. Mục tiêu cốt lõi của công trình là thiết kế, cải tiến máy phay CNC thành thiết bị tôi cao tần linh hoạt, đồng thời tiến hành mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng trên hai mác thép kết cấu phổ biến là C45 và SS400. Đề tài được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 09 năm 2017. Công trình có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi mở ra phương án gia công bề mặt đạt độ cứng từ 52 đến 58 HRC, kiểm soát chiều sâu lớp thấm tôi từ 1,6 đến 3,5 mm mà vẫn duy trì độ dẻo dai của phần lõi, hạn chế tối đa độ biến dạng hình học xuống dưới 5%, từ đó nâng cao năng suất và giảm giá thành sản phẩm cho ngành khuôn mẫu trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của thuyết nhiệt luyện kim loại và giản đồ trạng thái sắt - cacbon (Fe - Fe3C). Khi nung nóng thép vượt qua các điểm tới hạn Ac1 (727°C) và Ac3 (khoảng 850°C đối với thép C45 có hàm lượng 0,45% C), tổ chức Peclit và Ferit ban đầu sẽ chuyển biến hoàn toàn thành Austenit đồng nhất. Tiếp theo, quá trình làm nguội nhanh với tốc độ vượt qua tốc độ tôi tới hạn trên giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Austenit quá nguội (TTT) và giản đồ nguội liên tục (CCT) sẽ ngăn chặn sự phân hóa thành Peclit, kích thích chuyển biến không khuếch tán để tạo thành pha Mactenxit có mạng tinh thể chính phương tâm khối với độ cứng vượt trội.

Song song đó, lý thuyết cảm ứng điện từ theo hệ phương trình Maxwell và định luật Joule - Lenz đóng vai trò cốt lõi trong việc tính toán nguồn nhiệt gia công. Khi dòng điện xoay chiều cao tần đạt 20.000 Hz chạy qua cuộn dây cảm ứng bằng đồng 3 vòng xoắn ốc phẳng, từ trường biến thiên sẽ sinh ra dòng điện xoáy Foucault tập trung chủ yếu ở lớp bề mặt kim loại nhờ hiệu ứng bề mặt (skin effect). Bốn khái niệm chuyên ngành cốt lõi chi phối toàn bộ quá trình bao gồm: dòng điện xoáy Foucault, chuyển biến pha Mactenxit, độ thấm tôi và hiệu ứng bề mặt điện từ.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số đa vật lý và thực nghiệm đối chứng trên hệ thống thiết bị thực tế:

• Cỡ mẫu và chuẩn bị mẫu: Nghiên cứu sử dụng tổng cộng 6 mẫu thép phẳng với kích thước đa dạng để khảo sát ảnh hưởng của diện tích và độ dày, bao gồm 3 mẫu thép C45 (mẫu 1: 150 x 150 x 10 mm; mẫu 2: 200 x 170 x 8 mm; mẫu 3: 200 x 200 x 10 mm) và 3 mẫu thép SS400 (mẫu 4: 200 x 170 x 8 mm; mẫu 5: 280 x 170 x 8 mm; mẫu 6: 280 x 170 x 8 mm).
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu có chủ đích đại diện cho hai nhóm vật liệu điển hình gồm thép cacbon hàm lượng trung bình (C45 có 0,42 - 0,50% C, khả năng tôi cao) và thép cacbon thấp (SS400 có hàm lượng C dưới 0,20%, khó hóa bền bằng tôi tôi thông thường) nhằm đánh giá toàn diện khả năng đáp ứng của công nghệ.
• Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Trước khi tiến hành thực nghiệm, mô hình ghép 3D giữa trường điện từ và trường nhiệt độ được thiết lập trên phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0 ở tần số 20 kHz với thời gian gia nhiệt từ 30 đến 60 giây. Việc lựa chọn mô phỏng phần tử hữu hạn giúp tối ưu hóa khoảng cách gia nhiệt và dự đoán chính xác vùng tập trung nhiệt độ trước khi gia công, tránh lãng phí phôi mẫu. Quá trình kiểm nghiệm cơ lý tính sử dụng phương pháp phân tích quang phổ xác định thành phần hóa học, máy đo độ cứng Mitutoyo và Future-Tech theo chuẩn Rockwell (HRC, HRB), máy cắt dây EDM để cắt phân đoạn mẫu và tẩm thực bằng dung dịch axit Nitric hòa tan cùng axit Picric để soi cấu trúc tế vi dưới kính hiển vi quang học. Timeline nghiên cứu thực nghiệm được triển khai đồng bộ từ tháng 01/2017 đến tháng 09/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng trên 6 mẫu phôi phẳng đã mang lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, kết quả mô phỏng trên COMSOL Multiphysics 5.0 và thực nghiệm nhiệt trên máy CNC cho thấy cuộn dây xoắn ốc 3 vòng phẳng tạo ra mật độ từ thông và trường nhiệt độ không phân bố đều khi đứng yên. Vùng hình vành khăn nằm cách tâm cuộn dây từ 25 đến 45 mm đạt nhiệt độ cực đại trên 850°C trong thời gian 30 đến 60 giây, hoàn toàn vượt ngưỡng chuyển biến Austenit. Ngược lại, khu vực tâm cuộn cảm do triệt tiêu từ thông nên nhiệt độ gia nhiệt chỉ đạt khoảng 600 đến 650°C, thấp hơn 20% so với nhiệt độ tôi yêu cầu.

Thứ hai, cấu trúc tế vi kim tương sau khi làm nguội nhanh phản ánh rõ sự phân hóa nhiệt độ bề mặt. Tại vị trí vành khăn, tổ chức kim loại chuyển biến hoàn toàn sang Mactenxit dạng kim siêu mịn, tạo nên độ cứng bề mặt cao. Tại vị trí tâm cuộn dây và các vùng ngoài biên, tổ chức quan sát được vẫn là hỗn hợp Peclit và Ferit tự do do chưa đủ nhiệt độ tới hạn để hòa tan cacbon vào mạng tinh thể sắt.

Thứ ba, các phép đo cơ tính khẳng định độ cứng sau tôi của thép C45 tại vùng vành khăn đạt giá trị từ 52 đến 58 HRC, tăng hơn 150% so với độ cứng ban đầu của phôi thô (khoảng 20 HRC tương đương 85 HRB). Chiều sâu lớp thấm tôi hiệu dụng đo được qua mặt cắt ngang đạt từ 1,6 đến 3,5 mm. Đối với các mẫu thép SS400, do hàm lượng cacbon quá thấp dưới 0,20%, độ cứng sau tôi chỉ đạt mức 25 đến 30 HRC, không đạt yêu cầu chống mài mòn cao.

Thứ tư, phương án di chuyển cuộn dây theo từng điểm kết hợp gia nhiệt dừng cục bộ trên máy CNC 3 trục đã khắc phục hoàn toàn hiện tượng "điểm chết" tại tâm, giúp san phẳng trường nhiệt độ và mang lại sự đồng đều độ cứng trên toàn bộ diện tích bề mặt phẳng gia công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý sâu xa của sự phân bố độ cứng dạng vành khăn bắt nguồn từ sự phân bố của đường sức từ trường xoắn ốc. Tại tâm cuộn dây, véctơ mật độ từ thông bị triệt tiêu đối xứng dẫn đến dòng điện xoáy Foucault suy giảm cực tiểu. Hiện tượng này hoàn toàn tương đồng với các kết luận trong công trình nghiên cứu của tác giả Pavel Karban công bố năm 2009 và nghiên cứu của nhóm tác giả Kai Gao công bố năm 2014 khi thực hiện tôi cao tần trên các chi tiết trục và điểm đơn. Tuy nhiên, điểm cải tiến vượt bậc của luận văn này là việc ứng dụng hệ thống nội suy chuyển động G-code trên máy phay CNC 3 trục để quét cuộn cảm biến thiên theo quỹ đạo phẳng, giải quyết triệt để bài toán đồng đều hóa nhiệt độ cho bề mặt tấm.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được hệ thống hóa và trực quan hóa chi tiết thông qua các biểu đồ phân bố nhiệt độ không gian 3D, bản đồ đẳng độ cứng 2D dạng ma trận lưới tọa độ 10 x 10 mm trên từng mẫu thử, cùng các bảng tổng hợp số liệu đo độ cứng đa điểm. Bảng kết quả kim tương quang học với độ phóng đại 500 lần đã chứng minh rõ rệt ranh giới chuyển tiếp giữa lớp Mactenxit bề mặt có chiều sâu 3,5 mm và vùng lõi Peclit - Ferit dẻo dai bên dưới. Kết quả này khẳng định phương pháp tôi cảm ứng cục bộ CNC vừa giúp chi tiết đạt khả năng chống mài mòn vượt trội ở lớp vỏ, vừa giữ nguyên độ dai va đập trong lõi, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nứt vỡ giòn thường gặp khi tôi thể tích trong lò nung truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng và thực nghiệm thu được, nghiên cứu đề xuất 4 giải pháp công nghệ mang tính thực tiễn cao nhằm hoàn thiện và chuyển giao công nghệ:

• Tích hợp thuật toán điều khiển thích nghi quỹ đạo nội suy CNC: Các kỹ sư vận hành máy CNC và nhóm nghiên cứu cơ khí cần lập trình tối ưu hóa vận tốc chạy dao từ 50 đến 100 mm/phút và thời gian dừng tại từng tọa độ điểm. Mục tiêu nhằm nâng cao độ đồng đều của độ cứng bề mặt lên trên 95%, giảm sai lệch độ cứng giữa các điểm xuống dưới 3 HRC, dự kiến hoàn thành chuẩn hóa phần mềm trong vòng 6 tháng.
• Cải tiến kết cấu hình học cuộn cảm ứng từ dạng phẳng: Nhóm kỹ sư thiết kế thiết bị nhiệt luyện cần nghiên cứu chế tạo cuộn dây cảm ứng đa tầng có tích hợp lõi tập trung từ trường bằng vật liệu từ tính chuyên dụng tại vị trí tâm. Mục tiêu là bù đắp mật độ từ thông thiếu hụt, nâng hiệu suất truyền nhiệt tổng thể lên 15% và triệt tiêu hoàn toàn vùng nhiệt độ thấp ở tâm cuộn dây trong thời gian 3 tháng.
• Mở rộng quy trình tôi cảm ứng CNC cho các dòng thép hợp kim làm khuôn cao cấp: Các phòng thí nghiệm vật liệu và xưởng chế tạo khuôn mẫu cần áp dụng quy trình gia nhiệt cục bộ này trên các mác thép hợp kim như SKD11 và SKD61. Mục tiêu là đạt độ cứng làm việc từ 60 đến 62 HRC, kiểm soát chiều sâu lớp biến cứng đạt từ 2,0 đến 3,0 mm, hoàn thành thử nghiệm và ban hành quy trình chuẩn trong vòng 12 tháng.
• Ứng dụng cảm biến nhiệt độ hồng ngoại quang học không tiếp xúc theo thời gian thực: Các doanh nghiệp sản xuất cơ khí chính xác nên lắp đặt hệ thống camera nhiệt hoặc đầu đo quang học kết nối vòng lặp kín PID với nguồn phát cao tần. Mục tiêu kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ nung trong khoảng sai số cực nhỏ ±5°C ở dải nhiệt độ 850 đến 900°C, hạn chế tình trạng quá nhiệt gây cháy biên hạt, triển khai lắp đặt thử nghiệm trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn to lớn cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư công nghệ chế tạo máy và chuyên viên nhiệt luyện: Nhóm chuyên môn này có thể khai thác các thông số công nghệ chuẩn xác về tần số dòng điện 20 kHz, công suất nguồn phát và thời gian nung từ 30 đến 60 giây để ứng dụng trực tiếp vào việc xử lý cơ tính bề mặt các chi tiết trượt, thanh dẫn hướng và bàn máy phẳng chịu tải trọng mài mòn cao.
• Chủ doanh nghiệp và quản đốc xưởng cơ khí khuôn mẫu: Cung cấp giải pháp công nghệ chi phí thấp thông qua việc hoán cải các dòng máy phay CNC 3 trục sẵn có tại xưởng thành hệ thống tôi cao tần chuyên dụng, giúp tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí đầu tư dây chuyền tôi ngoại nhập đắt đỏ và rút ngắn 40% chu kỳ gia công hoàn thiện khuôn.
• Giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Khoa học Vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo chất lượng cao về phương pháp luận kết hợp giữa phần mềm mô phỏng đa vật lý COMSOL Multiphysics và kỹ thuật phân tích kim tương, phục vụ công tác giảng dạy các học phần Nhiệt luyện kim loại và Mô phỏng số trong cơ khí.
• Sinh viên đại học và học viên cao học ngành Cơ điện tử, Chế tạo máy: Cung cấp quy trình bài bản từ khâu thiết kế phần cứng, lập trình mã lệnh G-code điều khiển quỹ đạo nhiệt luyện cho đến phương pháp đo kiểm cơ lý tính vật liệu sau gia công.

Câu hỏi thường gặp

• Thép C45 và thép SS400 có sự khác biệt như thế nào về độ cứng sau khi tôi cảm ứng cao tần? Thép C45 có hàm lượng cacbon trung bình từ 0,42 đến 0,50% C nên dễ dàng hòa tan hoàn toàn vào Austenit và chuyển biến thành Mactenxit có độ cứng cao từ 52 đến 58 HRC sau tôi. Ngược lại, thép SS400 có hàm lượng cacbon thấp dưới 0,20% C nên mật độ nguyên tử cacbon xen kẽ không đủ để tạo pha Mactenxit độ cứng cao, kết quả độ cứng chỉ đạt mức 25 đến 30 HRC.

• Nguyên nhân nào dẫn đến hiện tượng nhiệt độ và độ cứng bị suy giảm tại vị trí tâm cuộn dây cảm ứng? Hiện tượng này xuất phát từ đặc tính phân bố từ trường của cuộn cảm xoắn ốc phẳng 3 vòng. Tại vị trí tâm hình học, các đường sức từ đối xứng ngược chiều triệt tiêu lẫn nhau khiến mật độ từ thông tiệm cận mức 0. Do đó, dòng điện xoáy Foucault không sinh đủ công suất nhiệt Joule, khiến nhiệt độ tại tâm chỉ đạt 600 đến 650°C, không đủ để chuyển biến pha sang Austenit.

• Giải pháp nào giúp phân bố độ cứng đồng đều trên toàn bộ bề mặt phôi phẳng? Nghiên cứu đã chứng minh phương pháp dịch chuyển cuộn dây cảm ứng theo từng điểm kết hợp dừng gia nhiệt cục bộ bằng mã lệnh G-code trên máy phay CNC 3 trục mang lại hiệu quả tối ưu. Việc điều khiển các điểm gia nhiệt gối đầu và bù trừ tọa độ tâm giúp toàn bộ diện tích bề mặt tiếp nhận mật độ năng lượng đồng đều, san phẳng độ cứng trên toàn bộ phôi.

• Vì sao cần thiết phải ứng dụng mô phỏng trên phần mềm COMSOL Multiphysics trước khi thực nghiệm? Phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0 giải quyết bài toán ghép phức tạp giữa phương trình điện từ Maxwell và phương trình truyền nhiệt vi phân. Việc mô phỏng giúp xác định trước trường nhiệt độ, phân bố mật độ dòng Foucault và tối ưu hóa thời gian nung ở tần số 20 kHz, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí phôi thử nghiệm và ngăn ngừa sự cố cháy chảy bề mặt.

• Chiều sâu lớp thấm tôi từ 1,6 đến 3,5 mm có ý nghĩa như thế nào đối với khả năng làm việc của chi tiết cơ khí? Chiều sâu lớp tôi từ 1,6 đến 3,5 mm tạo ra một lớp vỏ Mactenxit siêu cứng chịu mài mòn ma sát cực tốt trong quá trình vận hành, đồng thời đóng vai trò ngăn chặn sự phát triển của các vết nứt mỏi bề mặt. Lớp lõi bên trong vẫn giữ nguyên tổ chức Peclit và Ferit dẻo dai giúp chi tiết hấp thụ va đập mạnh mà không bị nứt vỡ giòn.

Kết luận

• Đề tài đã thiết kế và tích hợp thành công đầu gia nhiệt tôi cảm ứng từ cao tần 3 vòng xoắn ốc phẳng lên hệ thống máy phay CNC 3 trục, hiện đại hóa quy trình nhiệt luyện bề mặt phẳng.
• Mô hình mô phỏng số 3D trên COMSOL Multiphysics 5.0 ở tần số 20 kHz phản ánh chính xác 100% bản chất phân bố từ thông và trường nhiệt độ trên bề mặt phôi kim loại.
• Khẳng định mối quan hệ biện chứng giữa hình học cuộn cảm, nhiệt độ cục bộ vượt ngưỡng 850°C và sự hình thành tổ chức Mactenxit quyết định cơ tính vật liệu.
• Nâng cao vượt bậc độ cứng bề mặt thép C45 lên dải 52 đến 58 HRC với chiều sâu lớp thấm tôi đạt từ 1,6 đến 3,5 mm, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn kỹ thuật cho các chi tiết chịu mài mòn.
• Xác lập phương pháp dịch chuyển cuộn cảm theo từng điểm trên hệ điều khiển CNC làm nền tảng công nghệ vững chắc cho việc tôi các bề mặt lòng khuôn phức tạp.

Trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu định hướng tiếp tục hoàn thiện thuật toán nội suy không gian 3D trên máy CNC 5 trục để ứng dụng tôi cao tần cục bộ cho các bề mặt lòng khuôn dập cong phức tạp. Các doanh nghiệp cơ khí chế tạo và nhà xưởng khuôn mẫu hãy chủ động liên hệ và ứng dụng ngay giải pháp công nghệ này nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm cơ khí nội địa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hướng nghiên cứu 1. Các công trình 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. Tuy nhiên 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, … 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: - “Continual induction hardening of steel bodies” (Tôi cảm ứng từ cho các chi tiết vật liệu thép bằng phương pháp di chuyển liên tục) [1], bài báo khoa học của các tác giả Pavel Karban, Martina Donátová – Khoa điện tử của Đại học West Bohemia – Cộng hòa Czech, xuất bản năm 2009 bởi Elsevier.1: Mô hình tôi cảm ứng từ trong quá trình thí nghiệm Đề tài ứng dụng phương trình vi phân mô phỏng các thông số gia nhiệt cảm ứng gồm tần số và nhiệt độ biến đổi theo thời gian để mô phỏng quá trình thí nghiệm tôi cảm ứng từ. Tác giả dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ khi di chuyển cuộn dây mang dòng điện có tần số thay đổi dọc theo bề mặt chi tiết cần tôi. Từ trường thay đổi xuất hiện trên bề mặt chi tiết sẽ sinh ra dòng điện Foucault giúp gia 1 nhiệt cục bộ trên bề mặt này. Khi thời gian gia nhiệt đủ lớn vượt qua ngưỡng chuyển biến Austenit thì tiến hành làm nguội nhanh bề mặt chi tiết sẽ nhận được vật liệu có cấu trúc bề mặt cứng hơn.

Đề tài tập trung phân tích các thông số ảnh hưởng đến cấu trúc và độ đồng đều thành phần thép sau khi tôi nhằm đem lại kết quả tối ưu nhất. Tuy nhiên đề tài chủ yếu tập trung quá trình tôi cảm ứng cho các chi tiết dạng trục và sử dụng các cuộn dây bố trí cố định theo biên dạng cho các chi tiết cần tôi bề mặt. - “Effect of spot continual induction hardening on the microstructure of steels: Comparison between AISI 1045 and 5140 steels” (Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ từng điểm đến cấu trúc vật liệu kim loại trên cở sở so sánh hai loại thép AISI 1045 và 5140) [2], bài báo khoa học của các tác giả Kai Gao, Xunpeng Qin, Zhou Wang, Shengxiao Zhu – Khoa Công nghệ cao Đại học Wuhan – Trung Quốc, xuất bản năm 2015 bởi Elsevier. Nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm tôi cảm ứng từ cục bộ trên các vật liệu thép AISI 1045 và 5140 sau đó phân tích cấu trúc tế vi bên trong các mẫu vật liệu này.

Dựa vào mặt cắt cấu trúc vật liệu sau khi tôi, tác giả xác định các điểm tại các vị trí khác nhau để đo thành phần kim tương vật liệu (Mactenxit, Ferit, Peclit) làm cơ sở xác định chiều sâu lớp thấm tôi đạt được.2: Mô hình thí nghiệm và tổ chức tế vi đạt được sau khi tôi cảm ứng Kết quả nhận được cho thấy các điểm trên bề mặt mẫu thí nghiệm có thành phần Mactenxit cao nhất và giảm dần về phía bên trong vật liệu chưa được thấm tôi. Mặc dù nhiệt độ chuyển biến Austenit của AISI 1045 thấp hơn nhưng độ 2 cứng đạt được của thép AISI 1045 cao hơn AISI 5140 vì thành phần cacbon của nó cao hơn. - “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) [3], 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 thấy 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 tôi thép không đạt. Giá trị độ cứng đạt được sau khi tôi lớn nhất lên đến 690 HV (60 HRC). Việc phân tích được thực hiện 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.3: 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) [4], bài báo khoa học của các tác giả Daisuke Suzuki, Koji Yatsushiro, Seiji Shimizu, Yoshio Sugita, Motoki Saito, 3 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 cho 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 việc tôi cảm ứng có thể thực hiện được trên các chi tiết nhỏ so với các phương pháp khác chỉ tôi được thể tích trong trường hợp kích thước 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. Tuy nhiên nếu tốc độ tôi quá chậm thì sẽ giống như trường hợp tôi thể tích nên các thí nghiệm đã tập trung xác định tốc độ tôi tối ưu sao cho độ thấm tôi thấp nhất nhỏ nhất với độ cứng lớn nhất.4: Mô hình và kết quả tôi cảm ứng chi tiết trụ nhỏ - “3D modeling of induction hardening of gear wheels” (Mô hình hóa 3D phương pháp tôi cảm ứng từ cho các chi tiết bánh răng) [5], bài báo khoa học của các tác giả Jerzy Barglik, Albert Smalcerz, Roman Przylucki, Ivo Doležel – Khoa vật liệu - Đại học Katowice - Ba Lan và Khoa điện tử - Đại học Praha – Cộng hòa Czech, xuất bản năm 2014 bởi Elsevier. Nhóm tác giả sử dụng các phương trình năng lượng nhằm khảo sát các thông số từ trường và phân bố nhiệt độ trong quá trình tôi cảm ứng.

Trên cơ sở đó việc tôi cảm ứng sẽ được tiến hành mô phỏng số 3D trên phần mềm FLUX3D. Bánh răng được sử dụng trong thí nghiệm có số răng 4 là 41 chế tạo từ vật liệu 50CrMo4 (hàm lượng cacbon trung bình 0,46 – 0,54%C). Dựa trên yêu cầu làm việc đặc thù của bánh răng đòi hỏi bề mặt có độ cứng cao nhằm đạt độ chống mài mòn tối ưu trong khi cấu trúc bên trong vẫn đạt độ dẻo dai cần thiết nên quá trình tôi cảm ứng được tiến hành với hai thông số khác nhau. Đầu tiên dòng điện với tần số thấp khoảng 10 kHz được sử dụng nhằm nung nóng chậm toàn bộ bánh răng đến nhiệt độ Ac3.

Sau đó sử dụng dòng điện với tần số rất cao 100 kHz nung nóng các biên dạng chân răng và đỉnh răng. Cuối cùng làm nguội nhanh sản phẩm bằng cách phun dung dịch polymer làm mát nhằm thu được các tổ chức Mactenxit để nâng cao độ cứng bề mặt bánh răng. Đề tài tập trung phân tích quá trình tôi cảm ứng nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của đặc tính vật liệu đến thời gian tôi. Kết quả cho thấy độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của kim loại ảnh hưởng đến thời gian nung nóng và nhiệt độ đạt được.

Độ cứng bề mặt đạt được sau khi tôi lên đến 700 HV.5: Phân bố nhiệt độ bề mặt biên dạng răng - “Analysis and simulations of multifrequency induction hardening” (Phân tích và mô phỏng quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số) [6], bài báo khoa học của các tác giả Dietmar Hömberg, Thomas Petzold, Elisabetta Rocca đến từ Viện khoa học ứng dụng Mohrenstr - Đức và Khoa cơ khí - Đại học Milano - Italy, xuất bản năm 2014 bởi Elsevier. Trong bài báo, nhóm tác giả tính toán quá trình gia nhiệt cảm ứng điện từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Đề tài tập trung vào các phương trình nhiệt của Macxell và lý thuyết dòng điện cảm ứng Faucalt nhằm khảo sát nhiệt lượng sinh ra trong quá trình theo lý thuyết, sau đó tiến hành mô 5 phỏng với các thông số đã chọn ở trên. Việc mô phỏng số quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số được thực hiện với chi tiết bánh răng.

Quá trình mô phỏng cho thấy nhiệt độ phân bố không đồng đều trên toàn bề mặt bánh răng, nhiệt độ lớn nhất tập trung tại khu vực đỉnh bánh răng trong khi vùng chân răng chưa đạt nhiệt độ tôi cần thiết. Khi đó nhóm tác giả thấy cần phải giải quyết việc phân bố nhiệt độ nhằm tránh trường hợp đỉnh răng bị nóng chảy do nhiệt độ quá cao. Giải pháp được thực hiện đó là sử dụng dòng điện tần số trung bình (MF) để tôi khu vực chân răng, sau đó dùng dòng tần số cao (HF) để gia nhiệt phần đỉnh răng. Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng kết hợp dòng điện đa tần số (MF và HF) đem lại hiệu quả gia nhiệt và thời gian tối ưu nhất.