Bề mặt chi tiết là phần ranh giới phân chia giữa chi tiết máy và môi trường làm việc hoặc với chi tiết máy khác trong cơ cấu, bộ phận. Điều kiện làm việc:+ Chịu ảnh hưởng trực tiếp các tác động môi trường như các tác động cơ, lý hóa.+ Là nơi đầu tiên tiếp nhận tải trọng nên thường xuyên chịu ma sát, mài mòn trong các cơ cấu.+ Dễ bị biến dạng hoặc tróc rỗ bề mặt. Khả năng làm việc của chi tiết máy phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng trạng thái của lớp bề mặt. Trạng thái bề mặt là chỉ tiêu tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt:+ Hình dạng lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám...)+ Trạng thái và tính chất cơ lý của lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu biến cứng ...)+ Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trường làm việc (tính chống mòn, khả năng chống xâm thực hóa học, độ bền mỏi...)
Trang 1Bài tập 1: Phân biệt các dạng trạng thái bề mặt vật liệu: bề mặt thô (bề mặt ban đầu), bề mặt trước gia công, bề mặt sau gia công, bề mặt trước xử lý, bề mặt sau xử lý.
1 Khái niệm về bề mặt chi tiết.
Bề mặt chi tiết là phần ranh giới phân chia giữa chi tiết máy và môi trường làm việc hoặc với chi tiết máy khác trong cơ cấu, bộ phận.
- Điều kiện làm việc:
+ Chịu ảnh hưởng trực tiếp các tác động môi trường như các tác động cơ, lý hóa
+ Là nơi đầu tiên tiếp nhận tải trọng nên thường xuyên chịu ma sát, mài mòn trong các cơ cấu + Dễ bị biến dạng hoặc tróc rỗ bề mặt
- Khả năng làm việc của chi tiết máy phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng trạng thái của lớp bề mặt Trạng thái bề mặt là chỉ tiêu tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt:
+ Hình dạng lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám )
+ Trạng thái và tính chất cơ lý của lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu biến cứng )
+ Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trường làm việc (tính chống mòn, khả năng chống xâm thực hóa học, độ bền mỏi )
2 Những khái niệm cơ bản về một số chỉ tiêu đánh giá trạng thái bề mặt:
a Độ nhám bề mặt (hình học tế vi, độ bóng)
- Trong quá trình hình thành phôi hoặc phoi kim loại có thể tạo ra những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công Như vậy, bề mặt có độ nhám
- Độ nhám của bề mặt gia công được đo bằng chiều cao nhấp nhô Rz và sai lệch profin trung bình cộng Ra của lớp bề mặt
* Chiều cao nhấp nhô Rz : là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 đáy thấp nhất của profin tính trong phạm vi chiều dài chuẩn đo l.
- Trị số Rz được xác định như sau:
5
) (
) (h1 h3 h9 h2 h5 h10
Trang 2Hình 1.1: Độ nhám bề mặt chi tiết
- Chiều dài chuẩn l là chiều dài của phần bề mặt được chọn để đo độ nhám bề mặt, không tính đến những dạng mấp mô khác có bước lớn hơn l
* Sai lệch profin trung bình cộng Ra: là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của khoảng cách từ
các điểm trên profin đến đường trung bình, đo theo phương pháp tuyến với đường trung bình
n
i i
n
R
1
1
- Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng lớn đến chất lượng làm việc của chi tiết máy
- Nhám càng nhỏ thì bề mặt càng nhẵn, khả năng chống lại sự ăn mòn càng tốt: bề mặt càng nhẵn bóng thì càng lâu bị gỉ
- Độ nhám bề mặt là cơ sở để đánh giá độ nhẵn bề mặt trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn l Theo tiêu chuẩn Nhà nước thì độ nhẵn bề mặt được chia làm 14 cấp ứng với giá trị của Ra, Rz (cấp
14 là cấp nhẵn nhất, cấp 1 là cấp nhám nhất)
- Trong thực tế sản xuất, người ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết máy theo các mức độ: thô (cấp 1
÷ 4), bán tinh (cấp 5 ÷ 7), tinh (cấp 8 ÷ 11), siêu tinh (cấp 12 ÷ 14) Trong thực tế, thường đánh giá nhám bề mặt bằng một trong hai chỉ tiêu trên
b Độ sóng bề mặt
Độ sóng bề mặt là chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy được quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt.
- Người ta dựa vào tỷ lệ gần đúng giữa chiều cao nhấp nhô và bước sóng để phân biệt độ nhám bề mặt và độ sóng của bề mặt chi tiết máy
- Độ nhám bề mặt ứng với tỷ lệ:
l/h = 0 ÷ 50
- Độ sóng bề mặt ứng với tỷ lệ:
h H
L
Trang 3L/H = 50 ÷ 1000 Trong đó:
L: khoảng cách 2 đỉnh sóng
l: khoảng cách 2 đỉnh nhấp nhô tế vi
H là chiều cao của sóng
h: chiều cao
c Ðộ cứng
Ðộ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén.
- Nếu cùng một giá trị lực nén, lõm biến dạng trên mẫu càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu đo càng kém Ðo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hủy chi tiết
- Ðộ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng đều dùng tải trọng ấn viên bi bằng thép nhiệt luyện cứng hoặc mũi côn kim cương hoặc mũi chóp kim cương lên bề mặt của vật liệu cần
thử, rồi xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu đo Thường dùng các loại độ cứng
Brinen (HB), độ cứng Rockwell (HRC, HRB và HRA), và độ cứng Vícke (HV).
3 Phân biệt các dạng trạng thái bề mặt vật liệu
a Trạng thái bề mặt thô (bề mặt ban đầu)
Bề mặt thô là những bề mặt ban đầu (bề mặt nguyên thủy) chưa qua các quá trình gia công cắt gọt hay xử lý bề mặt Bề mặt thô thường được tạo ra từ các phương pháp chế tạo phôi thô như đúc và
các phương pháp gia công không phôi khác như rèn, dập, cán, kéo, hàn…
- Nhìn chung, sau khi chế tạo bằng phương pháp gia công không phoi, phôi thường có kích thước thô, như xù xì, rổ khí, nứt, chai cứng, hình dạng hình học có nhiều sai lệch như méo mó, ovan, cong vênh… độ bóng bề mặt và độ chính xác kém Sau đó cần phải qua gia công cắt gọt thì mới dùng được Tuy nhiên cũng có nhiều trường hợp không cần qua gia công cắt gọt do không cần thiết (bề mặt thô không phải là bề mặt lắp ghép) hoặc do đã đạt được độ chính xác cũng như độ nhẵn bề mặt cần thiết nhờ gia công bằng các phương pháp đặc biệt như đúc áp lực, đúc chính xác theo mẩu chảy hay rèn khuôn chính xác…
Trang 4- Bề măt phôi sau đúc và phôi sau chế tao áp lực là hai trạng thái bề mặt phôi thô thường gặp Sau đây ta sẽ đánh giá trạng thái bề mặt của hai phương pháp chế tạo phôi đó
- Phôi sau khi đúc:
+ Bề mặt có nhiều khuyết tật (rổ khí, rổ xỉ, lẫn tạp chất, nứt…)
+ Độ bóng và độ chính xác bề mặt kém
+ Bề măt chi tiết có tổ chức hạt và cơ tính không đồng điều làm giảm khả năng chiệu lực của chi tiết
+ Bề mặt phôi bị nhám cục bộ
+ Vật đúc nguội từ ngoài vào trong, kim loại bề mặt ngoài nguội nhanh và tạo nên cấu trúc tinh thể hạt nhỏ, còn kim loại phía trong nguội chậm nên cấu trúc hạt to nên bề mặt ngoài thường cứng
- Phôi sau khi chế tạo áp lực: thường được chia thành gia công chế tạo phôi nóng và gia công chế tạo phôi nguội
+ Nhìn chung phôi sau khi chế tạo áp lực (cán, kéo,…) thường có bề mặt có độ bóng, độ chính xác cao hơn đúc, khó biến dạng, tạo thớ kim loại theo phương cán, kéo
+ Phôi sau khi chế tạo áp lực thường có bề mặt bị biến cứng hóa bền do mạng tinh thể trên bề mặt trược bị xô lệch, bị vặn vẹo, vở vụn cản trở sự trượt nên tạo ra biến cứng lớp bề mặt, cần phải qua quá trình ủ kết tinh lại để phục hồi tính dẻo ở bề mặt
+ Gia công chế tạo phôi nguội: là gia công ở thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại Độ nhẵn bóng, độ chính xác và chất lượng bề mặt thường cao (thường tốt hơn phôi đúc) Bề mặt có cơ tính tốt, phôi khó biến dạng, dể biến cứng bề mặt, dể bị nứt nẻ
+ Gia công chế tạo phôi nóng: là gia công ở cao hơn nhiệt độ kết tinh lại Khi chế tạo phôi bằng phương pháp gia công nóng thường hạn chế ở những chi tiết nhỏ mỏng do dể bị chảy thủng, bề mặt
dể bị oxy hóa thoát than, giảm độ nhẵn và độ chính xác
b Trạng thái bề mặt trước khi gia công.
Bề mặt trước khi gia công thường là những bề mặt thô (bề mặt ban đầu) cần được gia công hoặc những bề mặt mà chưa đạt độ bóng, độ chính xác như yêu cầu (bề mặt phôi sau nhiệt luyện, bề mặt phôi sau khi cán, kéo…) cần phải được gia công cắt gọt lại Vậy nên bề mặt trước khi gia công
thường có trạng thái bề mặt giống với trạng thái bề mặt của phôi thô (phôi ban đầu) Tuy nhiên về
bề mặt phôi sau khi nhiệt luyện thường có độ bền, cứng cao và có lớp oxy hóa bề mặt
c Trạng thái bề mặt sau khi gia công.
Trang 5- Bề mặt chi tiết sau khi gia công thường có độ phẳng, độ chính xác cao Tuy nhiên không bằng phẳng một cách lý tưởng mà có những nhấp nhô Những nhấp nhô này là kết quả của quá trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết sau khi gia công kim loại do vết lưởi cắt để lại trên bề mặt của chi tiết gia công, do chế độ cắt, rung động của hê thống công nghệ trong quá trình cắt hay là do tính chất của vật liệu gia công, các thông số dụng cụ cắt hoặc do các dung dịch trơn nguội… Ngoài ra còn có những vết xướt, vết trầy trong quá trình gia công
- Ta thường xét đến các giai đoạn trong gia công có phoi là: giai đoạn thứ nhất là gia công thô, tức là lấy đi phần cơ bản của lượng dư gia công, giai đoạn này người ta ít chú ý đến sai số về hình dáng, kích thước, cũng như chất lượng bề mặt gia công; giai đoạn hai gồm các bước gia công bán tinh, gia công tinh hớt bỏ đi một lượng nhỏ lượng dư gia công còn lại để đạt được độ chính xác về hình dáng, kích thước và chất lượng bề mặt gia công theo yêu cầu kỹ thuật của bản vẽ chi tiết Ta xét trang thái
bề mặt của quá trình gia công thô và gia công tinh chi tiết Gia công thô: độ bóng, độ chính xác kém
do thường người ta ít quan tâm tới chất lượng bề mặt gia công trong gia đoạn này Gia công tinh: có
độ bóng, độ chính xác cao
Bảng 1.1: Độ chính xác và độ nhẵn đạt được qua các phương pháp gia công
Trang 6d Trạng thái bề mặt trước khi xử lý.
Bề mặt trước xử lý là những bề mặt sau khi gia công hoặc những bề mặt thô nhưng đạt yêu cầu về
độ nhám và độ chính xác bề mặt Nên trạng thái bề mặt trước xử lý thường giống như trang thái bề
mặt sau khi gia công cơ Những bề mặt trước khi xử lý thường được đem đi nhiệt luyện để tăng cơ tính Bề mặt trước khi xử lý có độ chính xác, độ phẵng cao nhưng bề mặt nhìn dưới kính hiển vi rất
rỗ và không bằng phẳng, làm tăng khả năng xâm nhiễm trên tổng diện tích bề mặt lên nhiều lần
e Trạng thái bề mặt sau khi xử lý.
- Trước khi tiên hành các phương pháp mạ hóa bền bề mặt, người ta thường mài bóng hoặc đánh bóng các bề mặt (mài bóng và đánh bóng làm cho bề mặt kim loại không còn vết xước, có độ bằng phẳng và độ bóng cao) bằng các phương pháp chà nhám, phun cát hoặc đánh bóng điện hóa
Trong đó đánh bóng điện hóa làm cho bề mặt cực kỳ mịn, phẳng, không có nét đặc biệt khi soi dưới
kính hiển vi, và có độ bóng láng, độ phản chiếu và độ sáng cao
- Quá trình đánh bóng làm giảm đáng kể diện tích bề mặt có thể bị xâm nhiễm và loại bỏ tất cả các vết nứt vi mô và các đường nứt bên trong Đánh bóng điện hóa thường làm giảm kết quả đo độ nhám bề mặt so với chưa đánh bóng điện hóa là 50% Chất lượng bề mặt hoàn thiện phụ thuộc vào chất lượng của vật liệu đánh bóng Một số thép hợp kim hay nhôm hợp kim không thể đánh bóng gương Một số vật đúc có dính xỉ hay bị rỗ cũng khó có thể đánh bóng gương
- Tùy theo phương pháp xử lý mà tính chất trang thái bề mặt xử lý có đặc điểm khác nhau Nhưng nhìn chung bề mặt sau khi xử lý có độ chính xác, độ bóng cao, cơ tính tốt, chiệu mài mòn cao