Bài giảng Máy và thiết bị chế biến thực phẩm

PHÂN LOẠI+ Tính chất tác dụng lên sản phẩm gia công tác động cơ học, nhiệt, lý hóa… + Cấu tạo chu trình làm việc tác dụng gián đoạn, liên tục + Theo mức độ cơ khí hóa và tự động hóa khô

MÁY VÀ THIẾT BỊ CHẾ B I ẾN THỰC

PHẨM

C HỨC NĂNG VÀ CẤU TẠO

Nạp liệu

Chấp hành

Truyền động

Điều khiển Bảo vệ

PHÂN LOẠI

+ Tính chất tác dụng lên sản phẩm gia công

(tác động cơ học, nhiệt, lý hóa…)

+ Cấu tạo chu trình làm việc

( tác dụng gián đoạn, liên tục)

+ Theo mức độ cơ khí hóa và tự động hóa

(không tự động, bán tự động, tự động)

+ Nguyên tắc phối hợp trong dây truyền sản xuất:

(theo máy riêng lẻ, những máy tổ hợp, máy liên hợp, hệ thống tự động)

YÊU CẦU CƠ BẢN

+ Khả năng thực hiện quá trình công nghệ tiên tiến

+ Hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao (Năng suất, Hiệu suất, độ chính xác, chi phí vận hành, kích thước…)

+ Khả năng chống ăn mòn cao

+ Độ kín của máy và thiết bị

+ Tính công nghệ của máy và thiết bị, sự tương hợp trong gia công

- Kết cấu phù hợp với điều kiện và quy mô sản xuất

- Kết cấu và hình dạng phải hợp lý theo quan điểm công nghệ

- Cấp chính xác và độ nhẵn bề mặt

+ Đặc tính thống nhất hóa và quy chuẩn

YÊU CẦU CƠ BẢN

+ Tăng cường sử dụng vật liệu tổng hợp

+ Đặc tính lắp lẫn, và tháo lắp máy thiết bị

+ An toàn và vệ sinh máy thiết bị

+ Tiếng ồn

+ Tự động hóa kiểm tra và điều chỉnh quá trình làm việc + Cân bằng tĩnh và cân bằng động

VẬT LIỆU

Kim loại: Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn

nhiệt và dẫn điện cao

Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại:

Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân)

+ Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong không gian (Hình 1.2 a)

+ Mạng tinh thể bao gồm các mặt đi qua các nguyên tử, các mặt này luôn luôn song song cách đều nhau và được gọi là mặt tinh thể (Hình 1.2 b)

VẬT LIỆU

+ Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (Hình 1.2 c) Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở của nó là đủ Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng Ví dụ như trên

ô lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của ô Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom),

ký hiệu: A

VẬT LIỆU

Các kiểu mạng tinh thể thường gặp:

+ Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và

ở tâm của khối lập phương

Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feα , Cr, W, Mo, V…

VẬT LIỆU

+ Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác cách đều nhauCác kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Mg, Zn…

VẬT LIỆU

Tính thù hình của kim loại

- Khi có chuyển biến thù hình thì kim loại có sự thay đổi thể tích

và tính chất bên trong Đây là đặc tính quan trọng khi sử dụng chúng

VẬT LIỆU

Ví dụ: Khi nung nóng sắt người ta thấy ở trạng thái rắn sắt thay đổi

ba kiểu mạng tinh thể ở ba khoảng nhiệt độ khác nhau (≤ 9110C,

911 - 13920C, ≥ 13920C) Vậy sắt có ba dạng thù hình được ký hiệu là: Feα,Feg,Feδ.Ta thấy sắt có ba kiểu mạng tinh thể khác nhau do

đó tính chất của sắt ứng với từng kiểu mạng cũng khác nhau

Ưu điểm của hợp kim so với kim loại

Trong lĩnh vực cơ khí, hợp kim được sử dụng rộng rãi vì các ưu điểm sau:

- Cơ tính hợp kim phù hợp với vật liệu chế tạo cơ khí: đối với ngành cơ khí vật liệu sử dụng phải có các yêu cầu như độ bền cao, tuổi thọ sử dụng lâu Về mặt này thì hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất, chúng có độ cứng, độ bền cao hơn hẳn trong khi độ dẻo và độ dai vẫn đủ cao

VẬT LIỆU

- Tính công nghệ thích hợp: kim loại nguyên chất có tính dẻo cao

dễ gia công áp lực nhưng khó đúc, gia công cắt kém, không hóa bền được bằng nhiệt luyện Hợp kim có tính công nghệ khác nhau

và phù hợp với từng điều kiện gia công: gia công áp lực ở trạng thái nóng và nguội, đúc, gia công cắt, nhiệt luyện… đảm bảo cho chế tạo sản phẩm có năng suất cao

- Giá thành hạ hơn: dễ chế tạo hơn do không phải khử bỏ các tạp chất một cách triệt để như kim loại

VẬT LIỆU

Các dạng cấu tạo của hợp kim

Có thể nói tính chất của hợp kim phụ thuộc vào sự kết hợp của các nguyên tố cấu tạo nên chúng Khi ở dạng lỏng, các nguyên tố hòa tan lẫn nhau để tạo nên dung dịch lỏng Tuy nhiên, khi làm nguội ở trạng thái rắn sẽ hình thành các tổ chức pha của hợp kim, có thể sẽ rất khác nhau do tác dụng với nhau giữa các nguyên tố Có thể có các tổ chức pha như sau:

VẬT LIỆU

- Tổ chức một pha (một kiểu mạng tinh thể):

+ Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hòa tan ở trạng thái rắn, gọi là dung dịch rắn

+ Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hóa học ở trạng thái rắn, gọi là hợp chất hóa học

- Tổ chức hai pha trở lên (có từ hai kiểu mạng tinh thể trở lên): khi giữa các pha trong hợp kim có tác dụng cơ học với nhau gọi là hỗn hợp cơ học

VẬT LIỆU

Dung dịch rắn

Khi nguyên tử của hai hay nhiều nguyên tố được sắp xếp trong cùng một kiểu mạng Có thể chia dung dịch rắn làm hai loại: dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn thay thế

Dung dịch rắn xen kẽ Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ở khoảng hở của các nguyên tử trong dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ Sự hòa tan xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn

VẬT LIỆU

- Dung dịch rắn thay thế Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế nguyên tử của nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn thay thế

- Cơ tính chung của dung dịch rắn: có độ cứng thấp, độ bền thấp tuy nhiên độ dẻo và độ dai cao do có cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất

VẬT LIỆU

Hợp chất hóa học

Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ nhất định gọi là hợp chất hóa học Mạng tinh thể của hợp chất khác với mạng thành phần Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng hợp chất khác nhau

Ví dụ: Nguyên tố sắt và cacbon tạo nên Fe3C rất ổn định, nhưng nguyên tố Cu với Zn có thể cho ta nhiều dạng hợp chất như: CuZn,

Cu3Zn3, CuZn3,…

- Cơ tính chung của hợp chất hóa học: có độ cứng cao, độ dòn cao

do có kiểu mạng tinh thể phức tạp không giống với kiểu mạng của kim loại nguyên chất đồng thời có nhiệt độ phân hủy cao (t0

nc cao)

VẬT LIỆU

Hỗn hợp cơ học

Trong hệ hợp kim, có những nguyên tố không hòa tan vào nhau cũng không liên kết tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy, thì gọi hợp kim đó là hỗn hợp cơ học Như vậy hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên tử của nguyên tố thành phần Vì để tạo được liên kết cơ học nguyên tử các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể

Cơ tính chung của hỗn hợp cơ học: phụ thuộc vào cơ tính của các pha tạo thành Muốn đánh giá cơ tính của hợp kim tạo thành tại nhiệt độ xác định phải căn cứ vào tỉ lệ cấu tạo và cơ tính của các pha tạo thành

VẬT LIỆU

Tính chất của kim loại và hợp kim

VẬT LIỆU

Độ cứng: là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại

lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén Nếu cùng một giá trị lực nén mà vết lõm trên mẫu đo càng lớn thì độ cứng của vật liệu

đó càng kém

Thử độ cứng được thực hiện trên máy thử, và được đánh giá bằng các đơn vị đo độ cứng như sau: độ cứng Brinen (HB), Rocvell

(HRA, HRB, HRC), Vicke (HV)

VẬT LIỆU

Độ dẻo: là khả năng vật liệu thay đổi hình dáng kích thước mà

không bị phá hủy khi chịu tác dụng của lực bên ngoài

Để xác định độ dẻo người ta thường tiến hành đánh giá theo cả hai chỉ tiêu cùng xác định trên mẫu sau khi thử độ bền kéo:

-Độ giãn dài tương đối (δ): là khả năng vật liệu thay đổi chiều dài sau khi bị kéo đứt

Độ dai va đập: là khả năng vật liệu chịu được tải trọng va đập mà

không bị phá hủy, ký hiệu là a k và đơn vị đo là J/mm2 hoặc kJ/m2

a Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất.

Trong đó m: là khối lượng của vật chất

V là thể tích của vật chất

VẬT LIỆU

Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loãng khi bị đốt nóng và

đông đặc lại khi làm nguội Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển

từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc, hàn

c Tính dẫn nhiệt: là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng

hoặc bị làm lạnh Tính truyền nhiệt của kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng và ngược lại khi nhiệt độ giảm xuống

d Tính giãn nở: là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim

loại thay đổi Được đặc trưng bằng hệ số giãn nở

VẬT LIỆU

e Tính dẫn điện: là khả năng cho dòng điện đi qua của kim loại

So sánh tính dẫn nhiệt và dẫn điện ta thấy kim loại nào có tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng tốt và ngược lại

f Từ tính: là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường Sắt,

coban, niken và hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm

từ Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại

VẬT LIỆU

Hóa tính

Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác như: ôxy, nước, axit… mà không bị phá hủy Tính năng hóa học của kim loại có thể chia thành các loại sau:

a Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của

môi trường xung quanh

b Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn của ôxy

trong không khí ở nhiệt độ cao

c Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của

môi trường axit

VẬT LIỆU

Tính công nghệ

Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim, tính công nghệ bao gồm các tính chất sau:

a Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và thiên tích.

Độ chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt

Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém

VẬT LIỆU

b Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu

lực tác dụng bên ngoài mà không bị phá hủy

Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở nhiệt độ phù hợp Gang không có tính rèn vì giòn Đồng, nhôm, chì có tính rèn tốt ngay cả

ở trạng thái nguội

c Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi

nung nóng chỗ hàn đến trạng thái chảy hay dẻo

d Tính cắt gọt: là khả năng kim loại gia công dễ hay khó, được

xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt

Một kim loại hay một hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quý nhưng tính công nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành sản phẩm

Khái niệm

Gang là hợp kim của sắt và cacbon cùng một số nguyên tố khác như: Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Mg, Cu hàm lượng cacbon trong gang lớn hơn 2,14%

GIẢN ĐỒ PHA

a Phân loại

Gang được chia làm 2 nhóm:

- Gang trắng: là hợp kim Fe - C trong đó cacbon có

thành phần lớn hơn 2,14% và các tạp chất Mn, Si, P, S… Tổ chức của gang tương ứng với giản đồ trạng thái

Fe - Fe3C Về mặt tổ chức gang trắng chia làm ba loại: + Gang trắng trước cùng tinh %C ≤ 4,3%.

+ Gang trắng cùng tinh %C = 4,3%.

+ Gang trắng sau cùng tinh %C ≥ 4,3%.

Gang Graphit: là hợp kim Fe - C trong đó Cacbon có

thành phần lớn hơn 2,14% và các tạp chất Mn, Si, P, S… Tổ chức của gang phần lớn cacbon ở dạng tự do graphit, rất ít hoặc không có Fe3C Nhóm gang graphit

+ Gang dẻo: graphit dạng cụm bông, đã được ủ

“graphit hóa” từ gang trắng.

VẬT LIỆU

Tính chất chung

Gang nói chung có tính đúc tốt và độ chảy loãng cao, độ co ngót ít, dễ điền đầy vào khuôn Gang là vật liệu chịu nén rất tốt, chịu tải trọng tĩnh khá tốt

và chịu mài mòn tốt Tuy nhiên gang có tính dòn, chịu va đập kém Do vậy gang được sử dụng trong gia công đúc để làm các chi tiết có hình dáng phức tạp như: vỏ máy, thân máy, bánh đai, bánh đà, trục khuỷu, trục cán, ổ trượt, bánh răng …

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang

a Ảnh hưởng của thành phần hóa học

- Cacbon (C): là nguyên tố thúc đẩy quá trình graphit hóa

Nhưng gang có nhiều cacbon thì độ dẻo và tính dẫn nhiệt giảm Nếu cacbon chứa trong gang ở dạng hợp chất hóa học xementit thì gang đó gọi là gang trắng, nếu cacbon ở dạng tự do (graphit) thì gang đó gọi là gang xám Sự tạo thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội của nó

- Silic (Si): Silic là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang, vì nó thúc đẩy quá trình graphit hóa

Hàm lượng Si tăng sẽ làm tăng độ chảy loãng, tăng tính chịu mài mòn và ăn mòn của gang Thường thì hàm lượng Si trong gang là 1,5 - 3%

- Mangan (Mn): Mn trong gang thúc đẩy sự tạo thành gang

trắng và ngăn cản graphit hóa Bởi vậy trong gang trắng thường chứa 2 - 2,5% Mn, trong gang xám lượng Mn không quá 1,3%

Mn là nguyên tố tăng tính chịu mài mòn, tăng độ bền, giảm tác hại của lưu hùynh (S)

- Phốt pho (P): P là một nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm độ bền, tăng độ dòn của gang, dễ gây nứt vật đúc Tuy nhiên P tăng tính chảy loãng, tác dụng này được sử dụng để đúc tượng, chi tiết mỹ thuật Trong trường hợp đúc các chi tiết thành mỏng, hàm lượng P trong các chi tiết quan trọng không được quá 0,1%, còn các chi không quan trọng có thể tới 1,2%

- Lưu hùynh (S): là nguyên tố có hại trong gang, nó làm cản trở graphit hóa, nên làm giảm tính chảy loãng do đó làm giảm tính đúc Lưu hùynh làm giảm độ bền cho gang dòn S kết hợp với

Fe tạo thành FeS gây bở nóng Vì vậy thành phần S trong gang không quá 0,1%

b Ảnh hưởng của độ quá nhiệt

Để tạo sự quá nguội người ta nung gang quá nhiệt

nhiều, bởi vì khi nung gang tới nhiệt độ cao thì các hạt graphit hòa tan hoàn toàn hơn và khử được các vật lẫn phi kim loại dẫn đến khi kết tinh thì mầm kết tinh sẽ nhiều và phân bố đồng đều hơn, làm cơ tính của gang tốt hơn.

c Ảnh hưởng của tốc độ nguội

Yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của gang là

điều kiện đông đặc và làm nguội của vật đúc Tốc độ nguội nhanh thì ta được gang trắng, làm nguội chậm thì ta được gang xám Tốc độ nguội của gang đúc phụ thuộc vào loại khuôn đúc và chiều dày vật đúc.

Gang trắng

a Ký hiệu và thành phần

Hầu hết chỉ dùng gang trắng chứa 3% - 3,5% cacbon vì nhiều C

gang sẽ dòn, mặt gãy các chi tiết bằng gang trắng có màu sáng trắng nên gọi là gang trắng Gang trắng chỉ hình thành khi hàm lượng C và

Mn thích hợp và với điều kiện làm nguội nhanh ở vật đúc thành

- Theo tiêu chuẩn của Mỹ:

+ Theo chuẩn SAE J431 có các mác: G1800, G2500, G3000, G3500, G4000 trong đó các số chỉ Ví dụ G3000 là gang xám có hay 30ksi

+ Theo tiêu chuẩn ASTM ta có các mác: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50,

55, 60 Trong đó các số chỉ có đơn vị là ksi Ví dụ: 20 là gang xám có

- Theo tiêu chuẩn của Nhật JIS có các mác: FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350, trong đó số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị Mpa Ví dụ: FC100 là gang xám có

Thành phần hóa học của gang xám nằm trong giới hạn sau: C: 2,8

-3,5%; Si: 1,5 - 3%; Mn: 0,5 - 1%; P: 0,1 - 0,2%; S ≤ 0,08% với các vật đúc nhỏ và 0,1 - 0,12% đối với vật đúc lớn

Do hình dạng và tính chất cơ học của graphit (có độ bền cơ học kém) do

đó gang xám có độ bền kéo, độ dẻo và độ dai thấp, độ bền 35 - 40

Kg/mm2, độ cứng 150 - 250 HB Tuy nhiên graphit có ưu điểm làm tăng

độ chịu mòn của gang, có tác dụng như chất bôi trơn, làm cho phoi gang

dễ bị vụn khi cắt gọt, khử rung động, làm giảm độ co ngót khi đúc

Công dụng

Gang xám thường được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng nhỏ và

ít bị va đập như: thân máy, bệ máy, ống nước,… do chịu ma sát tốt nên đôi khi gang xám dùng để chế tạo các ổ trượt và bánh răng

Các mác GX12 - 28, GX15 -32 có độ bền không cao dùng để làm vỏ hộp, nắp che (không chịu lực)

Các mác GX21 - 40, GX28 - 48 có độ bền cao hơn, dùng làm bánh đà, thân máy

Các mác GX36 - 56, GX40 - 60 có độ bền cao, dùng làm vỏ xi lanh, bánh răng chữ V, trục chính…