Đánh giá chất lượng bề mặt của chi tiết máy sau khi hóa bền bằng các phương pháp khác nhau

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Có nhiều phương pháp để nâng cao chất lượng cũng như độ bền của chi tiết máy. Biến dạng dẻo (BDD) lớp bề mặt là một trong những phương pháp đơn giản và hiệu quả để nâng cao chất lượng bề mặt của chi tiết máy, phương pháp này là làm biến cứng lớp bề mặt của chi tiết máy, tăng độ chịu mài mòn, tăng độ cứng, giảm độ nhám và hình thành ứng suất dư nén, hình thành nên các “vết” tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt của chi tiết máy. Chi tiết sau khi hóa bền thì độ bền mỏi, độ bền tiếp xúc, khả năng chống mài mòn và khả năng giữ dầu sẽ tăng lên, tùy thuộc vào mục đích chức năng và điều kiện hoạt động của các bộ phận máy, độ bền của chi tiết sẽ tăng lên 3 – 5 lần [1-5].
Có nhiều phương pháp làm biến dạng dẻo lớp bề mặt như lăn ép bằng bằng bi, lăn ép bằng con lăn, miết ép bằng mũi kim cương, miết ép dao động, lăn ép ngang, … Mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm riêng nhưng chúng đều làm tăng chất lượng lớp bề mặt của chi tiết máy.
Chất lượng bề mặt của chi tiết sau khi hóa bền được đánh giá bằng kết quả đo độ nhám, độ cứng, ứng suất dư, cấu trúc hạt và độ cứng vi mô. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá ưu điểm và nhược điểm của phương pháp hóa bền này so với các phương pháp khác.
2. NỘI DUNG
2.1. Sơ đồ miết ép dao động
Để so sánh chất lượng lớp bề mặt của các chi tiết sau khi hóa bền, nhóm tác giả nghiên cứu ba phương pháp biến dạng dẻo: Lăn ép bằng con lăn, lăn ép ngang bằng tấm phẳng và miết ép dao động. Hình 1 đưa ra ba sơ đồ biến dạng dẻo lớp bề mặt.

Hình 1. Sơ đồ biến dạng dẻo lớp bề mặt

Khi lăn ép dụng cụ lăn ép là con lăn sẽ ép vào bề mặt chi tiết cần gia công và di chuyển dọc phôi với bước tiến là S, phôi quay với số vong quay là n_p (hình 1.a). Sơ đồ quá trình lăn ép ngang bằng tấm phẳng được thể hiện trên hình 1b. Tấm dưới đứng yên, tấm trên di chuyển xuống giá trị nén (t), sau đó tấm trên di chuyển sang phải cho đến khi phôi di chuyển một vòng, tức là quá trình lăn ép xảy ra trên toàn bộ bề mặt trụ của chi tiết. Sơ đồ miết ép dao động được thể hiện trên hình 1.c, khi miết ép phôi sẽ quay tròn, dụng cụ miết ép sẽ ép vào bề mặt của phôi, dụng cụ miết ép chuyển động dọc phôi với bước tiến S đồng thời chuyển động tịnh tiến lên xuống.
Để so sánh chất lượng lớp bề mặt của các chi tiết đã được hóa bền, nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu hình trụ có đường kính 20 mm, vật liệu C35. Việc lăn ép bằng con lăn được thực hiện trên máy tiện 1K62 với con lăn hình trụ làm bằng thép gió P9, đường kính 40 mm với bán kính biên dạng r = 4 mm. Lăn ép ngang bằng tấm phẳng được thực hiện trên máy cán phẳng [7]. Miết ép dao động được thực hiện trên máy tiện 1K62, bán kính biên dạng của dụng cụ miết ép r = 4 mm; vật liệu – thép gió P9.
Khi hóa bền bằng các phương pháp BDD khác nhau, các thông số và chế độ lăn ép được chọn như sau: Lăn ép bằng con lăn trên máy tiện: Bước tiến dọc S = 0,14 mm/vòng, chiều sâu lăn ép t = 0,12 mm, số vòng quay phôi n_p = 120 vòng / phút. Lăn ép ngang bằng tấm phẳng: Phôi được thực hiện 3 vòng với tốc độ tấm chuyển động 7,5 m/phút, chiều sâu lăn ép t = 0,12 mm. Chế độ miết ép dao động: Số vòng quay phôi n_p = 120 vòng / phút; tần số dao động của dụng cụ miết ép n_lx = 40 HTK/phút; chiều sâu miết ép t = 0,12 mm; biên độ dao động của dụng cụ e = 30 mm; bước tiến của dụng cụ miết s = 0,12 mm/vòng; góc quay dụng cụ α = 45⁰.
2.2. Kết quả và thảo luận
2.2.1. Đánh giá độ nhám
Độ nhám bề mặt được xác định trên máy đo độ nhám FormTalySurfi200, máy này dùng để đo độ nhám và sai lệch về hình dáng hình học của chi tiết máy. Trên mỗi đoạn của chi tiết đo ở 3 vị trí cách nhau 120^o, chiều dài đo khoảng 10mm rồi lấy giá trị độ nhám Ra trung bình.
Hình 2 thể hiện giá trị độ nhám Ra tùy thuộc vào phương pháp hóa bền.
Kết quả đo độ nhám cho thấy độ nhám tốt nhất đạt được bằng phương pháp lăn ép ngang với các tấm phẳng, sau đó là miết ép dao động. Độ nhám bề mặt của chi tiết sau khi cán ngang bằng tấm phẳng nhỏ hơn 7 - 9 lần so với độ nhám của bề mặt của chi tiết hóa bền bằng các phương pháp khác. Độ nhám bề mặt của chi tiết sau khi cán ngang bằng tấm phẳng nhỏ hơn độ nhám khi hóa bền bằng các phương pháp khác có liên quan đến hai lý do, một là điều kiện thuận lợi cho sự tiếp xúc của dụng cụ với bề mặt được hóa bền, hai là tác động lặp đi lặp lại của các tấm trên lớp bề mặt của chi tiết. Kết quả trên hoàn toàn phù hợp với các kết quả được công bố trong [3]. 2.2.2. Tổ chức tế vi và kích thước hạt
Để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại cần tiến hành phân tích kim tương, rồi sử dụng kính hiển vi MICROMED MET 2 kết hợp với máy tính sử dụng chương trình Toup View để quan sát trực tiếp và chụp ảnh tổ chức tế vi của kim loại trên màn hình máy tính - với mức phóng to từ 100 đến 1000 lần.
Hình 3 cho thấy các hình ảnh về cấu trúc vi mô của các chi tiết sau khi hóa bền bằng các phương pháp khác nhau.
Cả ba phương pháp hóa bền bằng biến dạng dẻo đều ảnh hưởng đến sự thay đổi cấu trúc vi mô ở lớp bề mặt. Sau khi hóa bền, các hạt được kéo ra theo hướng biến dạng chính và được nghiền nát. Trong lớp bề mặt kim loại bị biến dạng dẻo, các hạt tạo thành mới có kích thước nhỏ hơn và có một hướng nhất định. Các hạt bị kéo dài theo hướng biến dạng chính, điều này có thể được đánh giá qua hình ảnh cấu trúc hạt khi phóng to. Do chuyển động dọc của dụng cụ so với phôi trong quá trình lăn con lăn và làm mịn dao động, các hạt được kéo ra theo hướng dọc mạnh hơn so với hướng ngang. Chuyển động dọc của dụng cụ so với trục của phôi tạo thành một làn sóng kim loại ép đùn, cản trở chuyển động tương đối của vật liệu giữa dụng cụ và phôi theo hướng dọc; một lực dọc đáng kể phát sinh, đã gây ra biến dạng của các hạt dọc theo trục của phôi.