Tổng quan nghiên cứu

Phương pháp tôi cảm ứng từ bề mặt cho các chi tiết thép cacbon hàm lượng trung bình là một giải pháp nhiệt luyện hiệu quả, được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nhằm nâng cao cơ tính bề mặt chi tiết chịu mài mòn cao. Theo ước tính, các chi tiết thép C45 và SS400 chiếm tỷ lệ lớn trong các sản phẩm cơ khí do tính ổn định và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp tôi cảm ứng từ cho các bề mặt phẳng, đặc biệt là các bề mặt phức tạp, vẫn còn hạn chế so với các chi tiết dạng trục hay bánh răng.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC cho mặt phẳng, nhằm đánh giá khả năng gia nhiệt và phân bố độ cứng đồng đều trên bề mặt chi tiết. Mục tiêu cụ thể là mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng mô hình cảm ứng từ trường 3D trên phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0, thiết kế cuộn dây cảm ứng phù hợp, thực hiện thí nghiệm trên các mẫu thép C45 và SS400, đồng thời đánh giá kết quả qua đo độ cứng và phân tích cấu trúc kim tương. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu thép có kích thước từ 150x150x10 mm đến 280x170x8 mm, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ kết hợp điều khiển CNC, giúp cải thiện độ cứng bề mặt đồng đều, giảm thiểu hiện tượng quá nhiệt cục bộ và ứng suất dư không mong muốn. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí, tăng tuổi thọ chi tiết và mở rộng ứng dụng cho các bề mặt phẳng và phức tạp trong công nghiệp chế tạo.

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 cảm ứng điện từ: Nguyên lý cảm ứng điện từ sinh ra dòng điện Foucault trong vật liệu khi đặt trong từ trường biến thiên, tạo ra nhiệt lượng gia nhiệt bề mặt chi tiết. Mô hình Maxwell được sử dụng để mô phỏng trường điện từ và nhiệt độ phân bố trên bề mặt.

  • Giản đồ pha Fe-C (Fe – Fe3C): Giúp xác định các pha vật liệu như Austenit, Peclit, Mactenxit trong quá trình nhiệt luyện thép cacbon. Việc chuyển biến pha Austenit thành Mactenxit khi làm nguội nhanh là cơ sở để tăng độ cứng bề mặt.

  • Lý thuyết nhiệt luyện thép: Bao gồm các yếu tố đặc trưng như nhiệt độ tôi, tốc độ làm nguội, độ thấm tôi và ảnh hưởng đến tổ chức vật liệu. Đặc biệt, sự hình thành Mactenxit là yếu tố quyết định độ cứng bề mặt.

  • Mô hình mô phỏng 3D cảm ứng từ trường và nhiệt độ: Sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0 để mô phỏng quá trình gia nhiệt cảm ứng từ trường 3D, giúp tối ưu hóa thiết kế cuộn dây và thông số gia nhiệt.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng điện Foucault, tổ chức Mactenxit, độ thấm tôi, cuộn dây cảm ứng ba vòng xoắn ốc phẳng, và phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các mẫu thép C45 và SS400 được chuẩn bị với kích thước đa dạng từ 150x150x10 mm đến 280x170x8 mm. Thành phần hóa học của các mẫu được xác định bằng phương pháp phân tích quang phổ, đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Mô phỏng số: Sử dụng COMSOL Multiphysics 5.0 để mô phỏng trường cảm ứng từ và phân bố nhiệt độ trên bề mặt mẫu trong các trường hợp cuộn dây đứng yên, di chuyển dọc trục X và Y. Thời gian gia nhiệt được điều chỉnh từ 30 đến 60 giây với tần số dòng điện 20 kHz.

  • Thí nghiệm tôi cảm ứng từ cục bộ CNC: Thiết kế cuộn dây cảm ứng ba vòng xoắn ốc phẳng, kết hợp với máy phay CNC 3 trục để di chuyển cuộn dây theo từng điểm hoặc liên tục trên bề mặt mẫu. Quá trình gia nhiệt được kiểm soát và ghi nhận nhiệt độ bề mặt trong suốt quá trình tôi.

  • Đo độ cứng: Sử dụng máy đo độ cứng Mitutoyo và Future-Tech để đo độ cứng bề mặt theo thang HRC và HB tại các vị trí khác nhau trên mẫu, phân bố độ cứng được biểu diễn qua biểu đồ.

  • Phân tích cấu trúc kim tương: Thực hiện cắt mẫu, mài bóng và ăn mòn hóa học để quan sát tổ chức pha Mactenxit, Peclit và Ferit bằng kính hiển vi quang học.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2015 đến tháng 10/2017, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, mô phỏng, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố nhiệt độ và độ cứng phụ thuộc hình dạng cuộn dây và phương pháp di chuyển: Mô phỏng cho thấy khi cuộn dây đứng yên, nhiệt độ tập trung tại vùng vành khăn quanh cuộn dây, đạt trên 850°C, trong khi vùng tâm chỉ đạt khoảng 700°C. Thí nghiệm đo độ cứng mẫu số 1 (C45, 150x150x10 mm) ghi nhận độ cứng bề mặt tại vùng vành khăn đạt 58 HRC, trong khi vùng tâm chỉ khoảng 45 HRC.

  2. Tổ chức Mactenxit chiếm ưu thế tại vùng nhiệt độ cao: Phân tích kim tương mẫu số 1 cho thấy tổ chức Mactenxit xuất hiện chủ yếu tại vùng vành khăn cách bề mặt tôi 3,5 mm, trong khi vùng tâm cuộn dây chủ yếu là Peclit, dẫn đến độ cứng thấp hơn. Điều này phù hợp với lý thuyết chuyển biến pha và mô phỏng nhiệt độ.

  3. Phương pháp di chuyển cuộn dây theo từng điểm giúp phân bố độ cứng đồng đều hơn: Thí nghiệm trên mẫu số 3 (C45, 200x200x10 mm) với phương pháp di chuyển cuộn dây từng điểm cho thấy độ cứng bề mặt phân bố đồng đều hơn, dao động trong khoảng 55-58 HRC trên toàn bộ bề mặt, cải thiện đáng kể so với phương pháp cuộn dây đứng yên.

  4. Gia nhiệt liên tục theo trục X hoặc Y phù hợp với máy công suất cao: Mô phỏng và thí nghiệm cho thấy di chuyển cuộn dây liên tục theo trục X hoặc Y tạo ra vùng nhiệt lớn hơn, thích hợp cho các chi tiết kích thước lớn. Độ cứng bề mặt đạt trung bình 56 HRC với chiều sâu thấm tôi khoảng 3,5 mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân phân bố độ cứng không đồng đều khi cuộn dây đứng yên là do dòng điện Foucault tập trung tại vùng vành khăn, tạo nhiệt độ cao hơn so với vùng tâm. Điều này dẫn đến sự hình thành Mactenxit chủ yếu tại vùng này, trong khi vùng tâm không đạt nhiệt độ chuyển biến Austenit nên tổ chức Peclit chiếm ưu thế, làm giảm độ cứng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về tôi cảm ứng từ cục bộ trên chi tiết trụ và bánh răng, kết quả tương tự về ảnh hưởng của hình dạng cuộn dây và phân bố nhiệt độ được ghi nhận. Tuy nhiên, nghiên cứu này mở rộng ứng dụng cho bề mặt phẳng, đồng thời kết hợp điều khiển CNC để di chuyển cuộn dây, giúp cải thiện độ đồng đều độ cứng trên toàn bề mặt.

Việc sử dụng máy phay CNC 3 trục để điều khiển di chuyển cuộn dây là một giải pháp thực tiễn, dễ dàng áp dụng trong sản xuất công nghiệp. Biểu đồ phân bố độ cứng và hình ảnh kim tương minh họa rõ ràng sự cải thiện về chất lượng bề mặt sau quá trình tôi cảm ứng từ cục bộ CNC.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp di chuyển cuộn dây từng điểm trên máy CNC nhằm tối ưu phân bố nhiệt và độ cứng bề mặt cho các chi tiết phẳng trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện là các nhà máy cơ khí có trang bị máy CNC và thiết bị tôi cảm ứng từ.

  2. Thiết kế và chế tạo cuộn dây cảm ứng ba vòng xoắn ốc phẳng phù hợp với kích thước chi tiết, đảm bảo tạo dòng điện Foucault đồng đều, giảm thiểu vùng nhiệt quá cao. Thời gian thực hiện dự kiến 3 tháng, do bộ phận kỹ thuật và nghiên cứu phát triển đảm nhiệm.

  3. Phát triển phần mềm điều khiển CNC tích hợp mô phỏng nhiệt để tự động điều chỉnh tốc độ di chuyển cuộn dây theo đặc tính vật liệu và hình dạng chi tiết, nâng cao hiệu quả gia nhiệt. Thời gian triển khai 12 tháng, phối hợp giữa phòng nghiên cứu và nhà cung cấp phần mềm.

  4. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì thiết bị tôi cảm ứng từ CNC nhằm đảm bảo quy trình vận hành ổn định, giảm thiểu sai sót trong quá trình gia nhiệt. Khuyến nghị thực hiện định kỳ hàng năm, do phòng nhân sự và đào tạo tổ chức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia nhiệt luyện trong ngành cơ khí chế tạo: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tuổi thọ chi tiết.

  2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành thiết bị tôi cảm ứng từ: Hiểu rõ quy trình, thông số kỹ thuật và cách điều khiển thiết bị để tối ưu hóa quá trình nhiệt luyện.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu về công nghệ nhiệt luyện và mô phỏng cảm ứng từ trường.

  4. Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ gia nhiệt và điều khiển CNC: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các giải pháp gia nhiệt tiên tiến cho các bề mặt phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC khác gì so với tôi cảm ứng truyền thống?
    Phương pháp này sử dụng cuộn dây cảm ứng di chuyển theo từng điểm hoặc liên tục trên bề mặt chi tiết bằng máy CNC, giúp phân bố nhiệt đồng đều hơn và kiểm soát chính xác vùng gia nhiệt, khác với cuộn dây cố định truyền thống chỉ gia nhiệt cục bộ tại một vị trí.

  2. Tại sao cần mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng phần mềm COMSOL?
    Mô phỏng giúp dự đoán phân bố nhiệt độ và từ trường trên bề mặt chi tiết, tối ưu thiết kế cuộn dây và thông số gia nhiệt trước khi thực hiện thí nghiệm, tiết kiệm thời gian và chi phí.

  3. Độ cứng bề mặt đạt được sau khi tôi cảm ứng từ là bao nhiêu?
    Độ cứng bề mặt dao động từ 55 đến 58 HRC tùy vị trí và phương pháp di chuyển cuộn dây, cao hơn đáng kể so với độ cứng ban đầu khoảng 45 HRC.

  4. Chiều sâu lớp thấm tôi đạt được trong nghiên cứu này là bao nhiêu?
    Chiều sâu thấm tôi đạt khoảng 3,5 mm, phù hợp với yêu cầu tăng độ cứng bề mặt mà không ảnh hưởng đến tính dẻo dai bên trong chi tiết.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại thép khác ngoài C45 và SS400 không?
    Có thể áp dụng cho các loại thép cacbon và hợp kim khác, tuy nhiên cần điều chỉnh thông số gia nhiệt và mô phỏng lại để phù hợp với đặc tính vật liệu cụ thể.

Kết luận

  • Phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC cho mặt phẳng giúp phân bố nhiệt và độ cứng đồng đều trên bề mặt chi tiết thép C45 và SS400.
  • Mô phỏng 3D trên COMSOL Multiphysics 5.0 là công cụ hiệu quả để tối ưu thiết kế cuộn dây và thông số gia nhiệt.
  • Tổ chức Mactenxit chiếm ưu thế tại vùng nhiệt độ cao, góp phần nâng cao độ cứng bề mặt.
  • Di chuyển cuộn dây theo từng điểm hoặc liên tục trên máy CNC là giải pháp thực tiễn, phù hợp với sản xuất công nghiệp.
  • Đề xuất triển khai áp dụng phương pháp trong các nhà máy cơ khí, đồng thời phát triển phần mềm điều khiển và đào tạo kỹ thuật viên.

Tiếp theo, cần tiến hành mở rộng nghiên cứu cho các bề mặt phức tạp hơn và tích hợp hệ thống điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả sản xuất. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển ứng dụng công nghệ này.