Trong gia công cơ khí nói chung, cơ khí chính xác nói riêng, ngoài việc đạt kích thước chi tiết theo bản vẽ đã được các kĩ sư thiết kế, chúng ta cần phải chú ý tới các yêu cầu kĩ thuật của chi tiết. Một trong các yêu cầu kĩ thuật quan trọng là Chất lượng bề mặt chi tiết máy.
Để nghiên cứu về Chất lượng bề mặt chi tiết máy, trước tiên ta cần tìm hiểu kĩ «Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt chi tiết máy», sau đó phân tích «Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy » và «Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết«. Trong loạt bài viết này, Blog Yêu cơ khí mời các bạn tìm hiểu «Chất lượng bề mặt chi tiết máy» trong chủ đề Giáo trình công nghệ chế tạo máy được phát hành tại địa chỉ https://yck2020.blogspot.com/. Bạn có thể tải về file word bài viết này để học tập và tham khảo.
Những nội dung chính khi tìm hiểu về Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy, bao gồm :
Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính chống mòn.
Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến độ bền mỏi của chi tiết máy.
Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết máy.
Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến độ chính xác các mối lắp ghép.
Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy
Khả năng làm việc của chi tiết máy được quyết định bởi: tính chống mòn, độ bền mỏi, tính chống ăn mòn hóa học, độ chính xác các mối lắp ghép. Chất lượng bề mặt ảnh hưởng đáng kể đến khả năng làm việc của chi tiết máy. Có thể kể ra các yếu tố bị ảnh hưởng bởi chất lượng bề mặt như: Hệ số ma sát, tính chống mòn, độ cứng vững tiếp xúc, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền mỏi, độ bền va đập, tính chống ăn mòn... Sau đây ta nói đến các ảnh hưởng thường gặp:
1- Ảnh hưởng đến tính chống mòn
a) Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc nhau có nhấp nhô tế vi nên trong giai đoạn đầu của quá trình làm việc, hai bề mặt này chỉ tiếp xúc nhau ở một số đỉnh cao nhấp nhô; diện tích tiếp xúc thực chỉ bằng một phần của diện tích tính toán.
Tại các đỉnh tiếp xúc đó, áp suất rất lớn, thường vượt quá giới hạn chảy, có khi vượt quá cả giới hạn bền của vật liệu. áp suất đó làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hồi và làm biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc.
Khi hai bề mặt có chuyển động tương đối với nhau sẽ xảy ra hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô; các đỉnh nhấp nhô bị mòn nhanh làm khe hở lắp ghép tăng lên. Đó là hiện tượng mòn ban đầu. Trong điều kiện làm việc nhẹ và vừa, mòn ban đầu có thể làm cho chiều cao nhấp nhô giảm 65 - 75%; lúc đó diện tích tiếp xúc thực tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi. Sau giai đoạn mòn ban đầu (chạy rà) này, quá trình mài mòn trở nên bình thường và chậm, đó là giai đoạn mòn bình thường (giai đoạn này, chi tiết máy làm việc tốt nhất).
Cuối cùng là giai đoạn mòn kịch liệt, khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, nghĩa là cấu trúc bề mặt chi tiết máy bị phá hỏng. Mối quan hệ giữa lượng mòn và thời gian sử dụng của một cặp chi tiết ma sát với nhau tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu được biểu thị như sau:
Các đường đặc trưng a, b, c ứng với ba độ nhám ban đầu khác nhau của các bề mặt tiếp xúc. Đường đặc trưng c, cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt ban đầu kém nhất nên giai đoạn mòn ban đầu xảy ra nhanh nhất, cường độ mòn lớn nhất ở giai đoạn mòn ban đầu.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng, nếu giảm hoặc tăng độ nhám tới trị số tối ưu, ứng với điều kiện làm việc của chi tiết máy thì sẽ đạt được lượng mòn ban đầu ít nhất, qua đó, kéo dài tuổi thọ của chi tiết máy.
(Đường 1 ứng với điều kiện làm việc nhẹ. Đường 2 ứng với điều kiện làm việc nặng). Lượng mòn ban đầu ít nhất ứng với giá trị của Ra tại các điểm Ra1, Ra2; đó là giá trị tối ưu của Ra. Nếu giá trị của Ra nhỏ hơn trị số tối ưu Ra1, Ra2 thì sẽ bị mòn kịch liệt vì các phấn tử kim loại dễ khuếch tán. Ngược lại, giá trị của Ra lớn hơn trị số tối ưu Ra1, Ra2 thì lượng mòn tăng lên vì các nhấp nhô bị phá vỡ và cắt đứt.
b) Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt
Lớp biến cứng bề mặt của chi tiết máy có tác dụng nâng cao tính chống mòn. Biến cứng bề mặt làm hạn chế sự khuếch tán oxy trong không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành các oxit kim loại gây ra ăn mòn kim loại. Ngoài ra, biến cứng còn hạn chế quá trình biến dạng dẻo toàn phần của chi tiết máy, qua đó hạn chế hiện tượng chảy và hiện tượng mài mòn. Ngoài phương pháp gia công cắt gọt, người ta dùng các phương pháp gia công biến dạng dẻo để biến cứng bề mặt: phun bi, lăn bi, nong ép ...
c) Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặt
Ứng suất dư ở lớp bề mặt chi tiết máy nói chung không có ảnh hưởng đáng kể tới tính chống mòn nếu chi tiết máy làm việc trong điều kiện ma sát bình thường.
2. Ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy
a) Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất là khi chi tiết máy chịu tải trọng chu kỳ có đổi dấu, tải trọng va đập vì ở đáy các nhấp nhô tế vi có ứng suất tập trung lớn, ứng suất này sẽ gây ra các vết nứt tế vi và phát triển ở đáy các nhấp nhô, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy do mõi. Nếu độ nhám thấp thì độ bền, giới hạn mỏi của vật liệu sẽ cao, và ngược lại.
b) Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt
Bề mặt bị biến cứng có thể làm tăng độ bền mỏi khoảng 20%. Chiều sâu và mức độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy; cụ thể là hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết, nhất là khi bề mặt chi tiết có ứng suất nén.
c) Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặt
Ứng suất dư nén trên lớp bề mặt có tác dụng nâng cao độ bền mỏi, còn ứng suất dư kéo lại hạ thấp độ bền mỏi của chi tiết máy.
Vì thế, khi chế tạo người ta cố gắng làm cho chi tiết có được ứng suất nén trên bề mặt. Bằng thực nghiệm ta có công thức:
3. ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết máy
a) Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt
Các chỗ lõm trên bề mặt do độ nhám tạo ra là nơi chứa các tạp chất như axit, muối... Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học đối với kim loại. Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết theo sườn của nhấp nhô và hình thành các nhấp nhô mới
Như vậy, bề mặt chi tiết máy càng ít nhám thì sẽ càng ít bị ăn mòn hóa học (vì khả năng chứa các tạp chất ít), bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt càng cao. Có thể chống ăn mòn hóa học bằng cách phủ lên bề mặt chi tiết máy một lớp bảo vệ bằng phương pháp mạ hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt.
b) Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt
Biến cứng tăng thì tính chống ăn mòn giảm vì biến cứng tăng thì sự thay đổi của các hạt không đồng đều. Hạt ferrite biến dạng nhiều hơn hạt peclit, điều đó làm cho năng lượng nâng cao không đều và thế năng điện tích của các hạt thay đổi khác nhau. Hạt ferrite biến cứng nhiều hơn sẽ trở thành anot. Hạt peclit bị biến cứng ít hơn sẽ trở thành catốt. Lúc này, tạo ra các pin ăn mòn nên ăn mòn sẽ tăng.
c) Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặt
Ứng suất dư hầu như không ảnh hưởng đến tính chống mòn khi làm việc ở nhiệt độ bình thường. Còn ở nhiệt độ cao thì sẽ có ảnh hưởng.
4. Ảnh hưởng đến độ chính xác các mối lắp ghép
Trong giai đoạn mòn ban đầu, chiều cao nhấp nhô tế vi Rz, đối với mối ghép lỏng có thể giảm đi 65% đến 75% làm khe hở lắp ghép tăng lên và độ chính xác lắp ghép giảm đi. Để đảm bảo độ ổn định của mối lắp lỏng trong thời gian sử dụng, phải giảm độ nhấp nhô tế vi. Giá trị Rz hợp lý được xác định theo độ chính xác của mối lắp tùy theo trị số của dung sai kích thước lắp ghép.
- Nếu đường kính lắp ghép D > 50mm thì Rz = (0.1 - 0.15)T
- Nếu đường kính lắp ghép 18 < D < 50mm thì Rz = (0.15 - 0.2)T
- Nếu đường kính lắp ghép D < 18mm thì Rz = (0.2 - 0.25)T
Với các mối ghép có độ dôi lớn khi ép hai chi tiết vào nhau để tạo mối ghép thì nhám bị san phẳng, nhám càng lớn thì lượng san phẳng càng lớn, độ dôi của mối ghép càng giảm, độ bền mối ghép giảm. Rz tăng thì độ bền của mối ghép chặt giảm.
Ví dụ: Độ bền mối lắp chặt giữa vành bánh xe lửa và trục ứng với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz là 36.5 micromet sẽ thấp hơn khoảng 40% so với độ bền cũng của mối lắp đó ứng với Rz là 18 micromet, vì độ dôi ở mối lắp ghép sau nhỏ hơn ở mối lắp ghép trước cỡ 15%.
Tóm lại, độ chính xác các mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc vào chất lượng các bề mặt lắp ghép. Độ bền các mối lắp ghép, trong đó độ ổn định của chế độ lắp ghép giữa các chi tiết, phụ thuộc vào độ nhám của các bề mặt lắp ghép.
