Nghiên cứu phục hồi xupap động cơ M 530 bằng phương pháp hàn đắp

Nghiên cứu phục hồi xupap động cơ M 530 bằng phương pháp hàn đắp Nghiên cứu phục hồi xupap động cơ M 530 bằng phương pháp hàn đắp Nghiên cứu phục hồi xupap động cơ M 530 bằng phương pháp hàn đắp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN THANH HƯỚNG

NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI XUPAP ĐỘNG CƠ M–530

BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN ĐẮP

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS NGUYỄN THÚC HÀ

Hà Nội – Năm 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tác giả dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thúc Hà và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt

kê, ngoại trừ các số liệu, các bảng, biểu đồ, công thức, đồ thị đã được trích dẫn từ tài liệu tham khảo, nội dung công bố còn lại trong luận văn là của chính tác giả đưa

ra và chưa được công bố ở trong bất kỳ tài liệu nào Nếu sai, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2016

Tác giả

Đoàn Thanh Hướng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XUPAP ĐỘNG CƠ MÁY THỦY 13

1.1 Khảo sát xupap động cơ máy thủy M-530 13

1.1.1 Kết cấu của xupap động cơ M - 530 15

1.1.1.1 Cấu tạo mặt làm việc của xupap 15

1.1.1.2 Kết cấu đỉnh nấm xupap 15

1.1.1.3 Kết cấu thân xupap 16

1.1.1.4 Kêt cấu đuôi xupap 16

1.1.1.5 Cấu tạo mặt quy lat 18

1.1.2 Phân tích điều kiện làm việc và những hư hỏng thường gặp của xupap 19 1.1.3 Tình hình nghiên cứu phục hồi xupap máy thủy trong và ngoài nước 23

1.1.3.1 Các nghiên cứu trong nước: 23

1.1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 25

1.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài 27

1.3 Phương pháp nghiên cứu 28

1.4 Một số đóng góp khoa học mới của luận văn 28

1.5 Lý do chọn đề tài 29

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI XUPAP 32

2.1 Phân tích lựa chọn phương pháp phục hồi xupap 32

2.2 Công nghệ hàn PTA 54

2.2.1 Nghiên cứu tổng quan công nghệ hàn PTA 54

2.2.1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ hàn PTA 54

2.2.1.2 Các đặc điểm của công nghệ hàn PTA 54

2.2.1.3 Nguyên lý của công nghệ hàn PTA 57

2.2.2 Phân tích lựa chọn thiết bị hàn thực nghiệm cho đề tài 60

2.2.3 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu hàn 63

2.2.3.1 Phân tích, lựa chọn khí hàn 63

2.2.3.2 Nghiên cứu, lựa chọn bột hàn đắp 63

2.2.4 Kỹ thuật hàn Plasma bột 69

2.2.4.1 Ảnh hưởng của lưu lượng khí tạo hồ quang plasma và dòng điện hàn plasma 71

2.2.4.2 Ảnh hưởng của khoảng cách từ đầu điện cực đến bề mặt vật hàn: 73

2.2.4.3 Ảnh hưởng của kích thước hạt bột hàn đắp 74

2.2.4.4 Ảnh hưởng của lưu lượng khí bảo vệ, khí dẫn (khí mang bột) 75

2.2.4.5 Nhiệt độ nung nóng sơ bộ: 76

2.2.4.6 Lựa chọn các thông số chế độ công nghệ hàn 77

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHỤC HỒI XUPAP M-530 78

BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN ĐẮP PLASMA BỘT 78

3.1 Xác định các đặc tính của xupap M-530 78

3.1.1 Phân tích thành phần hóa học xupap M-530 78

3.1.2 Xác định cơ tính của xupap M-530 81

3.1.3 Xác định kích thước của xupap M-530 83

3.2 Quy trình công nghệ phục hồi xupap 84

3.2.1 Mô tả chung 84

3.2.2 Quy trình phục hồi xupap 84

3.2.2.1 Các điều kiện hàn 84

3.2.2.2 Tạo bề mặt lớp đắp 89

3.2.2.3 Xử lý nhiệt truớc khi hàn 90

3.2.2.4 Thực hiện hàn đắp PTA 91

3.2.2.5 Xử lý nhiệt sau khi hàn 94

3.2.2.6 Gia công cơ sau khi hàn hoàn thiện 97

CHƯƠNG 4: KIỂM TRA TỔ CHỨC, ĐỘ CỨNG CỦA SẢN PHẨM 104

4.1 Nghiên cứu tổ chức kim loại mối hàn đắp phục hồi xupap 104

4.1.1 Chuẩn bị mẫu 104

4.1.2 Tổ chức tế vi vùng kim loại mối hàn 104

4.1.3 Tổ chức tế vi vùng kim loại cơ bản 105

4.1.4 Tổ chức tế vi vùng giáp ranh giữa kim loại cơ bản và kim loại mối hàn 106

4.2 Độ cứng của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt 107

4.2.1 Độ cứng kim loại vùng mối hàn 107

4.2.2 Độ cứng kim loại vùng ranh giới giữa mối hàn với kim loại nền 108

4.2.3 Độ cứng kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt 109

Kết luận chương 4: 109

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 110

Kết luận: 110

Kiến nghị: 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 112

TÀI LIỆU TIẾNG ANH 113

PHỤ LỤC 117

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

PWHT Post Weld Heat Treatment Xử lý nhiệt sau khi hàn

TIG Tungsten Inert Gas Hàn bằng điện cực không nóng

chảy trong môi trường khí trơ

MIG Metal Inert Gas Hàn bằng điện cực nóng chảy trong

môi trường khí trơ

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ

Bảng 2 1: Bột hàn nền Co của hãng Deloro Stellite 65

Bảng 2 2: Vật liệu bột của hãng Castolin – Thụy điển 66

Bảng 2 3: Vật liệu bột của hãng Daido – Nhật 66

Bảng 2 4: Vật liệu bột của hãng Mishubishi – Nhật 67

Bảng 2 5: Vật liệu bột của hãng Eutectic – Mỹ 67

Bảng 2 6: Vật liệu bột nền Co của hãng Bohler: 68

Bảng 2 7: Vật liệu bột nền Co của hãng carpenter – Mỹ 68

Bảng 2 8: Vật liệu bột của Trung Quốc 69

Bảng 3 1: Thành phần hóa học của xupap mẫu (các nguyên tố chủ yếu) 79

Bảng 3 2: Thành phần hóa học cơ bản của thép 40X9C2 79

Bảng 3 3: Cơ tính của thép hợp kim bền nóng 40X9C2 79

Bảng 3 4: Kết quả đo độ cứng kim loại nền 82

Bảng 3 5: Thông số chế độ hàn 89

Bảng 4 1: Kết quả đo độ cứng của mối hàn 108

Bảng 4 2: Kết quả đo độ cứng vùng ranh giới giữa kim loại mối hàn với kim loại cơ bản 108

Bảng 4 3: Kết quả đo độ cứng kim loại vùng AHN của mối hàn 109

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1: Động cơ 4 kỳ của tàu thủy 13

Hình 1 2: Các bộ phận chính của cơ cấu sinh công trong động cơ 13

Hình 1 3: Sơ đồ chu trình đóng mở của xupap động cơ đốt trong 4 kỳ [07] 14

Hình 1 4: Hình ảnh phóng đại khi cắt ngang bề mặt làm việc xupap [17] 14

Hình 1 5:Một số kết cấu đỉnh xupap (đỉnh nấm) 16

Hình 1 6: Một sô kết cấu đuôi xupap 17

Hình 1 7: Các quy định chuẩn về kích thước của xupap [30] 17

Hình 1 8: Cấu tạo xupap 18

Hình 1 9: Hình ảnh của mặt quy lát 19

Hình 1 10: sơ đồ phân bố nhiệt độ của xupap khi làm việc [15] 19

Hình 1 11: Chu trình nhiệt của động cơ đốt trong [32] 19

Hình 1 12: Hình ảnh xupap mòn mặt côn 21

Hình 1 13: Rỗ bề mặt tiếp xúc vơi buồng đốt 21

Hình 1 14: Hình ảnh xupap bị mẻ phần đỉnh nấm 22

Hình 1 15: Hình ảnh xupap bị cháy thủng 23

Hình 1 16: Mẫu xupap đã qua sử dụng 27

Hình 1 17: Mẫu xupap mới 27

Hình 2 1: Đầu phun hồ quang điện 34

Hình 2 2: Sơ đồ thiết bị phun hồ quang điện 35

Hình 2 3: Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun phủ ngọn lửa 36

Hình 2 4: Sơ đồ súng phun khí-bột kim loại ROTOTEC-80 (Thuỵ Sỹ) 36

Hình 2 5: Nguyên lý phun phủ plasma 37

Hình 2 6: Nguyên lý hàn hồ quang tay 41

Hình 2 7: Sơ đồ nguyên lý của máy hàn tự động 42

Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý hàn TIG 43

Hình 2 9: Sơ đồ máy hàn tự động trong môi trường khí bảo vệ 45

Hình 2 10: Hàn hồ quang Plasma 46

Hình 2 11: So sánh hai phương pháp PTA và PAW 48

Hình 2 12: Quá trình hàn PTA 49

Hình 2 13: Sự phân bố nhiệt ở các vùng của hồ quang hàn plasma 50

Hình 2 14: Lớp đắp của hai công nghệ hàn PAW và PTA 55

Hình 2 15: Phân bố nhiệt hồ quang của hàn TIG và PTA [40] 56

Hình 2 16: Sơ đồ nguyên lý công nghệ hàn Plasma bột [49] 58

Hình 2 17: Sự tham gia của kim loại 59

Hình 2 18: Hình ảnh mặt cắt ngang lớp đắp bằng công nghệ PTA [41] 59

Hình 2 19: Sơ đồ hệ thống hàn Plasma bột [53] 60

Hình 2 20: Các loại mỏ hàn phân loại theo công dụng 61

Hình 2 21: Bộ cấp bột EP2 62

Hình 2 22: Hệ thống hút khói hàn 62

Hình 2 23: Hệ thống di chuyển và tạo dao động ngang đầu mỏ hàn 63

Hình 2 24: Phần tham gia của kim loại cơ bản khi hàn đắp plasma bột 70

Hình 2 25: Ứng dụng điển hình của công nghệ hàn Plasma bột 70

Hình 2 26: Mặt cắt chiều sâu ngấu của lớp đắp 71

Hình 2 27: Ảnh hưởng của dòng điện plasma, lưu lượng khí plasma, tỷ lệ bột đắp tới sự hòa tan của kim loại mối hàn 72

Hình 2 28: Ảnh hưởng của lưu lượng khí tạo hồ quang Plasma đến hình dạng lớp đắp và sự hòa tan kim loại bột 73

Hình 2 29: Ảnh hưởng của khoảng cách làm việc đến sự hòa tan kim loại 74

Hình 2 30: Ảnh hưởng của kích thước bột hàn đắp tới độ cứng và sự hòa tan 75

Hình 2 31: So sánh tính chất lớp đắp của hai loại hình dạng bột đắp khác nhau 76

Hình 3 1: Thiết bị phân tích thành phần hóa học kim loại PMI-MASTER PRO 78

Hình 3 2: Vết phân tích trên xupap 78

Hình 3 3: Quan hệ của CE theo hàm lượng % các nguyên tố của vật liệu 80

Hình 3 4: Máy đo độ cứng Struers Duramin 82

Hình 3 5: Các vị trí kiểm tra độ cứng trên kim loại nền mẫu xupap 82

Hình 3 6: Máy đo ba chiều 3D MEASUIE_CE-450 83

Hình 3 7: Quy trình công nghệ hàn đắp phục hồi xupap 84

Hình 3 8: Nguồn hàn 85

Hình 3 9: Các loại mỏ hàn phân loại theo chức năng 86

Hình 3 10: Bảng điều khiển cầm tay 86

Hình 3 11: Hệ thống chai khí và đòng hồ đo lưu lượng 87

Hình 3 12: Hình đồ gá hai trục quay 87

Hình 3 13: Hình ảnh sau khi tiện xupap xuống 2-3mm 90

Hình 3 14: Hình súng bắn nhiệt 91

Hình 3 15: Hình ảnh mỏ nung 91

Hình 3 16: Hình thanh thép tròn sau khi hàn đính 91

Hình 3 17: Hình vành tản nhiệt sau khi hàn đính 92

Hình 3 18: Hình mỏ nung 92

Hình 3 19: Hình đồ gá 2 trục xoay 93

Hình 3 20: Hình ảnh xupap sau khi hàn đắp 93

Hình 3 21: Sơ đồ chu trình xử lý nhiệt sau khi hàn đắp 96

Hình 3 22: Hình cắt bỏ vành tản nhiệt sau khi hàn 97

Hình 3 23: Hình ảnh chấu kẹp thủy lực 98

Hình 3 24: Hình ảnh dao cắt 98

Hình 3 25: Mài mặt cạnh của xupap 99

Hình 3 26: Hình ảnh máy tiện 100

Hình 3 27: Hình ảnh máy mài xupap 100

Hình 3 28: Hình ảnh mỏ nung 101

Hình 3 29: Hình ảnh quá trình gia công lớp đắp bằng máy tiện 101

Hình 3 30: Đồ gá hai trục quay 101

Hình 3 31: Hình ảnh sau khi tiện xong 101

Hình 3 32: Hình ảnh hệ thống hàn Plasma bột 102

Hình 3 33: Hình ảnh xupap sau khi gia công xong 102

Hình 4 1: Tổ chức tế vi vùng kim loại mối hàn 105

Hình 4 2: Cấu trúc kim loại vùng kim loại cơ bản 105

Hình 4 3: Cấu trúc kim loại tiếp giáp vùng kim loại cơ bản 106

Hình 4 4: Cấu trúc kim loại vùng ranh giới giữa mối hàn với kim loại nền (OM, x200) 106

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công cuộc đổi mới đất nước hiện nay, công nghiệp hoá và hiện đại hoá

là vấn đề được đặt lên hàng đầu Trong đó, ngành công nghiệp cơ khí nói chung đã

có những bước phát triển vượt bậc, tuy nhiên phần lớn máy móc và thiết bị phục vụ trong ngành cơ khí lại được sản xuất và nhập khẩu từ nước ngoài, có nhiều chủng loại khác nhau Trong quá trình vận hành có thể xảy ra những sự cố hỏng hóc chi tiết, nên chi phí để thay thế và sửa chữa sẽ rất lớn do chúng ta phải nhập chi tiết từ

nước ngoài hoặc làm mới hoàn toàn

Việc áp dụng các công nghệ khác nhau vào việc phục hồi các thiết bị chi tiết máy để giảm giá thành là rất cần thiết Hàn và hàn đắp là một trong các công nghệ chủ yếu đóng vai trò quan trọng trong nhiệm vụ này, qua kinh nghiệm và số liệu tổng kết trong thực tế, chi tiết được phục hồi bằng công nghệ hàn chiếm tỷ trọng lớn

số chi tiết của ôtô, máy kéo, tàu thủy, thiết bị cơ khí… cần sửa chữa, mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn trong sản xuất

Với đề tài “Nghiên cứu phục hồi xupap động cơ M – 530 bằng công nghệ hàn đắp” Đây là một đề tài thực tế, có tính ứng dụng cao Trong thời gian thực

hiện tác giả đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế Vì vậy, bản luận văn của tác giả còn tồn tại nhiều thiếu sót, tác giả mong nhận được sự góp ý của các thầy và các bạn đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo trong bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ bảo những kiến thức chuyên môn trong thời gian vừa qua, đặc biệt là thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thúc Hà, đã rất nhiệt tình và tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XUPAP ĐỘNG CƠ MÁY THỦY

1.1 Khảo sát xupap động cơ máy thủy M-530

Giới thiệu xupap:

Xupap là một trong các bộ phận rất quan trọng của cơ cấu phối khí đối với các động cơ đốt trong 4 kỳ sử dụng cơ cấu phối khí cam - xupap hoặc cơ cấu phối khí trục cam – con đội - xupap Đối với tàu thủy, quá trình hoạt động của chúng trên biển lại càng quan trọng Một trong số các bộ phận rất quan trọng của tàu là phần động cơ Động cơ đốt trong của máy tàu thủy sẽ sinh ra một lượng công (năng lượng) rất lớn giúp cho các tàu thắng được sức cản của nước và tự trọng Để thực hiện quá trình sinh công này, đó sẽ là một chu trình khép kín bao gồm hai hoặc bốn quá trình Đối với động cơ đốt trong 4 kỳ đó là 4 quá trình “hút – nén – nổ - xả”

Trong động cơ 4 kỳ nói chung và các động cơ tàu thủy nói riêng, việc nạp môi chất và thải sạch khí thải được thực hiện bởi các xupap hút và xupap xả

Hình 1 1: Động cơ 4 kỳ của tàu thủy Hình 1 2: Các bộ phận chính của cơ

cấu sinh công trong động cơ

Hình 1 3: Sơ đồ chu trình đóng mở của xupap động cơ đốt trong 4 kỳ [07]

Hình 1 4: Hình ảnh phóng đại khi cắt ngang bề mặt làm việc xupap [17]

Từ sơ đồ trên hình 1.3 ta thấy:

+ Các vị trí: 1 - Vị trí mở xupap nạp; 2 - Vị trí đóng xupap nạp; 3’ - Vị trí phun nhiên liệu; 3 - Vị trí điểm chết trên; 4 - Vị trí cuối quá trình cháy; 5’ - Vị trí mở xupap thải; 6 - Vị trí đóng xupap thải

Diện tích Tiếp xúc

Chiều rộng mặt làm việc của quy lát

Mặt quy lát

Xupap

Mặt làm việc của quy lát

Góc vát của quy lát (450)

Chiều rộng mặt làm việc của xupap Mặt làm việc của xupap

Góc vát của xupap (450)

Nâng xupap

+ Các góc φ: φ1 - Góc mở sớm của xupap nạp; φ2 - Góc đóng muộn của xupap nạp;

φ1-2 - Toàn bộ góc mở của xupap nạp; φ3 - Góc phun sớm; φ2-3 - Góc ứng với quá trình nén; φ3-4-5 - Góc ứng với quá trình cháy và quá trình giãn nở; φ5 - Góc mở sớm của xupap thải; φ6 - Góc đóng muộn của xupap thải; φ5-6 - Toàn bộ góc mở của xupap thải; φ1+ φ6 - Góc trùng của xupap thải và xupap nạp

1.1.1 Kết cấu của xupap động cơ M - 530

1.1.1.1 Cấu tạo mặt làm việc của xupap

Mặt làm việc của xupap (nấm) là mặt côn, góc côn có thể thay đổi từ 15 –

450 Thông thường góc côn khoảng 40 – 450 Khi góc côn càng nhỏ thì tốc độ lưu thông của dòng khí càng lớn, tuy nhiên khi góc côn nhỏ thì mặt nấm càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế xupap Góc của mặt côn trên nấm xupap thường làm nhỏ hơn góc côn mặt trên đế xupap khoảng 0,5 – 10 để xupap có thể tiếp xúc với đế theo vòng tròn ở mép ngoài của mặt côn (nếu như mặt đế xupap rộng hơn mặt côn của xupap) Làm như thế có đảm bảo tiếp xúc kín khít dù mặt nấm có bị biến dạng nhỏ

1.1.1.2 Kết cấu đỉnh nấm xupap

Nấm bằng: Ưu điểm của loại nấm này là chế tạo đơn giản, có thể dùng cho

cả xupap nạp và xupap xả Do đó đại đa số các loại động cơ dùng loại này

Nấm lõm: Xupap nấm lõm có đặc điểm là bán kính góc lượn giữa phần thân xupap và phần nấm là rất lớn Kết cấu này có thể cải thiện được tình trạng lưu thông của dòng khí nạp vào xilanh đồng thời có thể tăng được độ cứng vững cho phần nấm xupap Để giảm trọng lượng của xupap khi tăng bán kính góc lượn, mặt dưới của nấm được khoét lõm sâu vào thành dạng loa kèn Nhược điểm của xupap lõm là chế tạo khó và mặt chịu nhiệt của xupap lớn, xupap dễ bị quá nóng Xupap lõm thường dùng làm xupap nạp của động cơ máy bay và một số động cơ cường hóa

Nấm lồi: Dạng nấm lồi cải thiện được tình trạng lưu động của dòng khí thải (vì bề mặt nấm lồi lên, nên hạn chế tối đa mức độ tạo thành dòng khí xoáy khi thải khí) Vì vậy xupap thải của tất cả các động cơ cường hóa đều làm theo nấm dạng lồi Để giảm trọng lượng của nấm, người ta còn thường khoét phía trên phần nấm Nhược điểm chủ yếu của loại này là khó chế tạo và bề mặt chịu nhiệt lớn

1.1.1.3 Kết cấu thân xupap

Thân xupap có nhiệm vụ dẫn hướng xupap Thân xupap có đường kính vào khoảng 0,16 – 0,25 lần đường kính đỉnh nấm Khi trực tiếp dẫn động xupap lực nghiêng tác dụng lên thân xupap lớn nhất nên đường kính có thể tăng lên đến 0,3 – 0,4 lần đường kính nấm xupap Để tránh hiện tượng xupap bị kẹt trong ống dẫn hướng khi bị đốt nóng, đường kính của thân xupap ở phần nối tiếp với nấm xupap thường được làm nhỏ một ít hoặc khoét rộng lỗ của ống dẫn hướng phần này Chiều dài của thân xupap phụ thuộc vào cách bố trí xupap, nó thường nằm trong khoảng 2,5 – 3,5 đường kính nấm xupap

1.1.1.4 Kêt cấu đuôi xupap

Đuôi xupap phải có kết cấu để lắp đĩa lò xo xupap Thông thường đuôi xupap

có mặt côn hoặc rãnh vòng để lắp móng hãm Kết cấu đơn giản nhất để lắp đĩa lò xo

là dùng chốt, tuy nhiên nó lại có nhược điểm là tạo ra ứng suất tập trung Để đảm bảo an toàn chốt phải được chế tạo bằng vật liệu có sức bền cao Để tăng khả năng

Hình 1 5:Một số kết cấu đỉnh xupap (đỉnh nấm)

chịu mài mòn, bề mặt đuôi xupap ở một số động cơ được tráng lên một lớp thép hợp kim cứng hoặc chụp vào phần đuôi một nắp bằng thép hợp kim cứng

Hình 1 7: Các quy định chuẩn về kích thước của xupap [30]

Hình 1 6: Một sô kết cấu đuôi xupap

1.1.1.5 Cấu tạo mặt quy lat

Mặt làm việc của quy lát thông thường có cấu tạo từ loại vật liệu chịu mài mòn và dai va đập Đồng thời để giúp cho quá trình tiếp xúc của xupap và mặt của

nó trong quá trình làm việc mặt làm việc của quy lát có ba mức côn khác nhau Trong đó mức côn trung bình của ba mức côn sẽ là một lớp hợp kim bột có khả năng chịu mài mòn và chịu được độ dai va đập Thông thường cũng như bề mặt làm việc của xupap, bề mặt côn này được đắp bằng một loại bột hợp kim (có thể là nền

Co, Ni, Cr) bằng công nghệ hàn Plasma bột hoặc Laser bột Góc côn của mặt quy lát sẽ lớn hơn một chút so với góc côn của xupap để hướng xu thế tiếp xúc điểm điều đó sẽ làm cho quá trình tiếp xúc tốt và động cơ không bị “tụt hơi” Điều này cũng giải thích cho việc tại sao các xupap bị mòn thường có dạng rãnh cong có bán kính hướng ra ngoài xupap Quá trình làm việc do mặt quy lát thường ít bị mòn hơn mặt làm việc của xupap Do đó chủ yếu phục hồi bề mặt làm việc của xupap sau đó mài lại mặt làm việc của quy lát để xác định lại góc côn sao cho phù hợp với góc côn của van đã phục hồi

Rãnh lượn

Đuôi xupap Thân xupap

Mặt tiếp xúc buồng đốt

Mặt làm việc

Bạc trượt

Cạnh nấm Rãnh chặn

Hình 1 8: Cấu tạo xupap

1.1.2 Phân tích điều kiện làm việc và những hư hỏng thường gặp của xupap

Xupap, đặc biệt là xupap xả làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ cao, môi trường làm việc xảy ra các phản ứng hóa học của môi chất, các phản ứng cháy, phản ứng ôxy hóa,… thông thường: áp suất làm việc khoảng 15Mpa, nhiệt độ cao nhất khoảng 7500 - 8100C đối với van xả và khoảng 3400 – 4000C đối với bề mặt tiếp xúc của quy lat và xupap

Hình 1 10: sơ đồ phân bố nhiệt độ của

xupap khi làm việc [15]

Hình 1 11: Chu trình nhiệt của động cơ

đốt trong [32]

Mặt chịu va đập

Hình 1 9: Hình ảnh của mặt quy lát

Nhiệt độ cao nhất của van xả tập trung chủ yếu tại đỉnh van phía trong bề mặt tiếp xúc với buồng đốt như hình 1.10 Để nghiên cứu về độ bền mỏi của xupap người ta thường sử dụng hai thông số đó là ứng suất lớn nhất tác dụng và số chu kỳ tác dụng Đặc trưng cho độ bền mỏi của xupap là đường cong mỏi thể hiện mối liên

hệ của ứng suất lớn nhất và chu kỳ chịu tải

Từ hình 1.11 cho chúng ta thấy: Ở thời điểm đầu, khi van hút bắt đầu đóng nghĩa là chu trình làm việc của động cơ đốt trong bắt đầu thì nhiệt độ trong xilanh lúc đó chỉ khoảng 370C Trong khi đó đến giai đoạn cuối của chu trình khi van xả

mở để thải môi chất và các khí thải ra ngoài thì nhiệt độ của buồng đốt là rất cao, khoảng 11500C Cũng từ hình 1.11 cho chúng ta thấy: các xupap xả luôn làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, khắc nghiệt nên thường xuyên bị mòn hoặc hỏng Làm việc trong điều kiện khắc nghiệt và nhiệt độ cao nên xupap, đặc biệt là xupap xả thường xuất hiện một số dạng hỏng như sau:

Mòn mặt côn (mặt tiếp xúc trực tiếp với quylat): Dạng hỏng này chủ yếu là

do chu kỳ va đập liên tục của hai chi tiết với áp lực lớn Đồng thời do bề mặt quylat thường được chế tạo bằng thép hợp kim hoặc gang đúc có độ cứng cao hơn so với mặt côn của nấm Sau một khoảng thời gian làm việc, dưới tác dụng của tải trọng biến đổi có chu kỳ thì van sẽ bị mỏi Khi đạt đến giới hạn mỏi thì sẽ bị phá hủy gây

ra hư hỏng cần phải sửa chữa hoặc thay thế Đây là dạng hư hỏng phổ biến nhất, diễn ra nhanh, đặc biệt với các loại xupap không được kiểm soát chặt chẽ trong quy trình nhiệt luyện sau khi chế tạo Với các loại hỏng này, thông thường ở các nước tiên tiến sẽ thực hiện hàn đắp phục hồi Đối với một số nước như Việt Nam, do chưa có điều kiện để thực hiện hàn đắp phục hồi sẽ là thay thế xupap mới hoặc gửi qua nước ngoài để phục hồi Khi xảy ra hiện tượng mòn mặt côn sẽ làm giảm khả năng sinh công và “tụt hơi” làm giảm khả năng làm việc của tàu Ngoài ra quá trình mòn sẽ làm thay đổi thời gian đóng mở xupap làm ảnh hưởng đến khoảng thời gian cháy giãn nở sinh công Là dạng hư hỏng thường xuyên nhất, diễn ra có chu kỳ

Hình 1 12: Hình ảnh xupap mòn mặt côn

Rỗ bề mặt tiếp xúc với buồng đốt: Nguyên nhân chính của dạng hư hỏng này chính là do buồng đốt có nhiệt độ rất cao khi cháy và nổ Dung môi là những chất khi cháy sinh ra các loại khí ở điều kiện nhiệt độ cao tác dụng với mặt đáy nấm xupap sẽ xảy ra các phản ứng hóa học ăn mòn bề mặt làm xuất hiện các vết rỗ (các phản ứng cháy, oxi hóa) Tuy nhiên dạng hỏng này thường diễn ra chậm, có thể kiểm soát và dự đoán được

Hình 1 13: Rỗ bề mặt tiếp xúc vơi buồng đốt

Mẻ phần đỉnh nấm xupap: Đây là hiện tượng hỏng hóc rất nguy hiểm, khi xảy ra hiện tượng này rất có thể dẫn đến phá hủy các chi tiết máy liên quan hoặc làm hỏng động cơ Đối với trường hợp này thông thường phải thay xupap mới

Dạng hỏng này của xupap có cơ chế của phá hủy mỏi chi tiết máy Quá trình va đập liên tục với mặt quy lat sẽ làm xuất hiện các vết nứt tế vi, các vết nứt phát triển sẽ tăng dần kích thước tới một giới hạn nhất định sẽ phá hủy kết cấu

Hình 1 14: Hình ảnh xupap bị mẻ phần đỉnh nấm Mòn cổ trục phần tiếp xúc với đỉnh nấm xupap: Nguyên nhân của hiện tượng này chủ yếu do quá trình làm việc xupap liên tục được đóng mở do đó phần thân này sẽ tiếp xúc với bạc trượt (bạc dẫn hướng) Quá trình tiếp xúc lâu do ma sát và nhiệt độ cao dẫn tới hiện tượng mòn cổ trục Thông thường dạng hỏng này cũng có thể được khắc phục bằng công nghệ hàn đắp

Cháy thủng phần đỉnh valve (đỉnh nấm): Đây là dạng hư hỏng có nguyên nhân là do quá trình làm việc lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt sẽ bị rỗ (xảy ra các phản ứng hóa học, phản ứng ăn mòn điện hóa trong điều kiện nhiệt độ cao), ngoài ra còn phải kể tới xung lực của áp suất trong một khoảng thời gian rất ngắn và cường

độ rất mạnh liên tục đập vào bề mặt đỉnh nấm sẽ làm xuất hiện các vết nứt tế vi dưới điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ cũng như có sự xuất hiện của các môi chất sẽ làm các vết nứt lớn dần lên và gây ra hiện tượng cháy thủng Đây là một trong số các dạng hỏng có thể dự đoán và biết trước được thời gian thay thế

Hình 1 15: Hình ảnh xupap bị cháy thủng

1.1.3 Tình hình nghiên cứu phục hồi xupap máy thủy trong và ngoài nước

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trong nước, hằng năm các công ty vận tải biển, các tập đoàn và tổng công ty đóng tàu phải nhập khẩu số lượng lớn xupap với số tiền không nhỏ Đồng thời tại Việt Nam hiện nay đã có nhiều thiết bị hàn tiên tiến, đặc biệt là thiết bị hàn Plasma bột (PTA) và đội ngũ các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu cũng như phương tiện thông tin để có thể nghiên cứu và hàn đắp – phục hồi các chi tiết máy

1.1.3.1 Các nghiên cứu trong nước:

Hiện nay tại Việt Nam theo các nguồn thông tin của tác giả biết thì có không nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học tại các trường Đại học hay Viện Nghiên cứu cho hướng của đề tài này Mới có một số rất ít các công trình nghiên cứu, bài báo khoa học, luận án về công nghệ hàn đắp hoặc phun phủ ứng dụng đắp cứng bề mặt cho các chi tiết máy có điều kiện làm việc tương tự như bề mặt làm việc của xupap bằng các công nghệ khác Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, công ty

CP Việt Long – Hải Phòng, công ty TNHH Trường Phát - KCN Quang Minh - Hà Nội,… đã có hệ thống thiết bị hàn Plasma bột (PTA), tuy nhiên hầu như chưa được khai thác và sử dụng nhiều

Trên cơ sở tìm hiểu, tổng hợp, nghiên cứu và phân tích tác giả nhận thấy như sau: + Bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại – Viện Cơ khí – ĐH Bách Khoa Hà Nội hằng năm thực hiện và triển khai nhiều các đề tài nghiên cứu khoa học các cấp Trong đó cũng có những đề tài nghiên cứu về lĩnh vực hàn đắp và phun phủ bằng

các công nghệ hàn truyền thống như: hàn hồ quang tay, hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn điện xỉ Tuy nhiên về các nghiên cứu ứng dụng các công nghệ hàn đắp – phục hồi tiên tiến như: Plasma bột, Laser bột, … cho việc đắp – phục hồi các chi tiết máy nói chung và xupap tàu thủy nói riêng thì chỉ có rất ít công trình nghiên cứu về lĩnh vực này

Năm 2004, đề tài khoa học mã số VLIR-HUT PJ04 thuộc chương trình hợp tác giữa trường Đại học Bách khoa Hà Nội với cộng đồng các trường đại học khối

Flemish – Vương quốc Bỉ “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn đắp Plasma bột để chế tạo các dụng cụ cắt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn và va đập cao” do

PGS.TS Bùi Văn Hạnh (Bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) làm chủ nhiệm đã nghiên cứu quá trình hàn PTA ứng dụng tạo phần lưỡi cắt của dao chặt mảnh sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất bột giấy ở Việt Nam

Năm 2011, TS Hoàng Văn Châu (Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công

Thương) đã thực hiện đề tài cấp Nhà nước, mã số ĐT-PTNTĐ.2011-G/08 “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn plasma để chế tạo và phục hồi các chi tiết máy” Đề

tài đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn PTA để phục hồi Dao xén giấy và Xupap máy thủy bằng hợp kim bột WC104 của hãng Praxair Tafa

Năm 2014, Thạc Sĩ Nguyễn Văn Anh đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, phục hồi bề mặt làm việc của xupap bằng công nghệ hàn Plasma bột” Đề tài đã nghiên

cứu, phân tích và lựa chọn được loại bột hàn sử dụng chế tạo lớp đắp cứng bề mặt, lựa chọn được bộ thông số công nghệ hàn hợp lý trong điều kiện làm việc của xupap, nhưng nội dung còn chung chung cho các loại xupap mà chưa cụ thể phục hồi cho loại xupap nào

Năm 2015, NCS Ngô Hữu Mạnh đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tạo lớp đắp chịu mài mòn trên nền thép các bon bằng công nghệ hàn plasma bột“ Đề tài đã

nghiên cứu chế tạo và phục hồi các dạng chi tiết làm việc trong môi trường chịu mài mòn ở điều kiện khô

Trong những năm gần đây, do nhu cầu của thị trường, một số Doanh nghiệp

đã đầu tư thiết bị hàn PTA để sản xuất, chế tạo và phục hồi một số sản phẩm cơ khí với yêu cầu kỹ thuật cao sử dụng trong các ngành công nghiệp như khai khoáng, xi măng, giấy, dầu khí, mía đường, xây dựng, hóa chất, Trong tương lai, PTA chắc chắn sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn và có vị trí rõ ràng hơn

1.1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, cũng đã có những công trình nghiên cứu về lĩnh vực hàn đắp, phục hồi bề mặt các chi tiết máy bị hư hỏng cũng như chế tạo lớp đắp cứng bằng công nghệ hàn Plasma bột Hiện nay, trên thế giới điển hình là các nước có nền công nghiệp và công nghệ hàn phát triển Đứng đầu là Thụy Điển với tập đoàn Castolin, hằng năm tập đoàn cung cấp cho thế giới một số lượng thiết bị, vật liệu hàn Plasma bột rất lớn để phục hồi và chế tạo các chi tiết máy trong đó có việc phục hồi xupap Cũng cần kể đến Nhật Bản với hãng Mishubishi Là một trong số các hãng chế tạo và sản xuất bột cho hàn PTA hàng đầu trên thế giới với hai loại bột điển hình là MS06 và MS1016 ứng dụng cho hàn đắp phục hồi các chi tiết máy Ưu điểm của loại bột này đó là giá thành rẻ hơn so với bột của Đức còn chất lượng thì chấp nhận được Trong những năm trở lại đây Trung Quốc cũng đã, đang và sẽ đóng góp thị phần nhiều hơn nữa trong lĩnh vực cung cấp vật liệu hàn nói chung và bột hàn PTA nói riêng

Tập đoàn Welding alloy đã ứng dụng rất thành công công nghệ PTA cho việc phục hồi các chi tiết máy, chế tạo các lớp đắp cứng bề mặt của các chi tiết có điều kiện làm việc liên tục và nhiệt độ cao như: xupap, trục khuỷu, bề mặt cam, dao xén, băm giấy, khuôn trong ngành gia công áp lực

Trên thế giới cũng đã có những bào báo khoa học, công trình nghiên cứu và một số luận văn nghiên cứu về công nghệ hàn cho phục hồi chi tiết máy và nghiên cứu những dạng hỏng điển hình cho xupap, các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao

độ bền làm việc và phục hồi chi tiết Điển hình là một số công trình sau:

+ “Failure annalysis and metallurgical investigation of diesel engine exhaust valves” [25] của các tác giả người Trung Quốc Nội dung chính của nghiên cứu

phân tích tổ chức tế vi của các loại xupap bị gãy hỏng và so sánh với xupap mới từ

đó đưa ra được nguyên nhân một số hư hỏng

+ “Failure annalysis of Internal Combustion Engine Valves” [26] của các tác giả Ấn độ Trong bài báo khoa học này các tác giả đã phân tích và nghiên cứu được các dạng hư hỏng của xupap, cơ chế hỏng và đưa ra được sơ đồ mối quan hệ giữa các đại lượng là nguyên nhân gây ra gãy hỏng với chu kỳ tải tương ứng

+ “Optimization of process parameters for deposition of stellite on X45CrSi93 steel by plasma transferred arc technique” [43] của các tác giả người Ấn

độ và Đức Nội dung của công trình chủ yếu giới thiệu các trang thiết bị sử dụng làm thí nghiệm, kết quả thực nghiệm hàn đắp phục hồi bề mặt xupap bằng công nghệ hàn đắp Laser bột và Plasma bột từ đó đưa ra các kết luận khoa học quan trọng

+ “Laser rebuilding of engine exhaust valves” [39] Đây là một bài báo khoa học về việc ứng dụng công nghệ hàn đắp Laser bột trong phục hồi xupap máy thủy Nội dung bài báo phân tích một số nguyên nhân hỏng và phân tích, lựa chọn được loại bột hàn, lựa chọn được loại thiết bị hàn cũng như bộ thông số chế độ công nghệ hàn hợp lý để đảm bảo các tính chất làm việc của chi tiết sau khi hàn đắp phục hồi Tuy nhiên, phương pháp nghiên cứu, cách thức tiến hành nghiên cứu và loại thiết bị, quy trình công nghệ không được các tác giả công bố rộng rãi trên các phương tiện thông tin đại chúng Chỉ có các kết quả của công trình là được công bố do đó chúng

ta cũng chưa có điều kiện để kiểm nghiệm và tiếp cận với các thông tin này một cách sâu sắc, chính xác và đầy đủ Đó chính là một vấn đề tác giả sẽ tìm cách giải quyết thông qua luận văn này

Đối với một số nước trên thế giới như: Đức, Nhật, và ngày nay là cả Trung Quốc Đã có các doanh nghiệp, tập đoàn đã nghiên cứu và thực hiện thành công quy trình hàn đắp phục hồi và chế tạo lớp đắp cứng bề mặt của xupap các máy động cơ đốt trong cỡ lớn Tuy nhiên về quy trình công nghệ chế tạo, thành phần hóa học của bột, bộ thông số chế độ công nghệ, … rất khó tiếp cận và hiện nay hầu như chưa có các thông tin được công bố vì lý do yếu tố bản quyền

Tóm lại: trong nước hiện nay hầu như chưa có nhiều công trình khoa học, bài báo về công nghệ hàn đắp – phục hồi xupap bằng công nghệ hàn đắp Plasma bột, còn ở nước ngoài mặc dù đã có một số nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ PTA để chế tạo và phục hồi xupap, tuy nhiên các thông tin có thể sử dụng được ở nước ta rất hạn chế Nhu cầu liên tục thay mới xupap khi chúng bị mòn trong hoàn cảnh phải nhập ngoại sẽ gây lãng phí và tốn kém rất lớn về kinh tế, thụ động về mặt thời gian Xuất phát từ đó tác giả đã đặt ra mục đích của luận văn sẽ là: Nghiên cứu tạo lớp đắp phục hồi bề mặt làm việc của xupap xả động cơ tàu thủy M-

530 nói riêng (loại động cơ hiện nay được dùng khá phổ biến tại Việt nam) và động

cơ đốt trong nói chung Để thực hiện nội dung nghiên cứu luận văn tác giả đã tiến hành nghiên cứu 2 mẫu xupap xả mới 100% được nhập khẩu từ Trung Quốc và 4 mẫu xupap xả cũng nhập khẩu từ Trung Quốc đã qua sử dụng và cần phục hồi cho động cơ tàu thủy M-530 của công ty vận tải biển Việt Nam

Hình 1 16: Mẫu xupap đã qua sử dụng Hình 1 17: Mẫu xupap mới

1.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Để thực hiện luận văn của mình, tác giả tập trung nghiên cứu và giải quyết các vấn đề chính sau đây:

+ Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý, điều kiện làm việc từ đó xác định được các dạng hư hỏng thường gặp của xupap M-530 trong máy tàu thủy nói riêng và động

cơ đốt trong nói chung (chủ yếu là các động cơ 4 kỳ)

+ Nghiên cứu thành phần hóa học, tổ chức tế vi và các tính chất của xupap + Nghiên cứu công nghệ hàn đắp phục hồi xupap

+ Phân tích, nghiên cứu và lựa chọn loại vật liệu hàn (loại bột hàn) sử dụng cho quá trình chế tạo lớp đắp

+ Nghiên cứu và tiến hành thực nghiệm để xác định bộ thông số chế độ hàn phù hợp theo các yêu cầu của chi tiết

+ Nghiên cứu quy trình xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn

+ Nghiên cứu và xây dựng quy trình công nghệ gia công cơ khí để phục hồi xupap

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện luận văn của mình tác giả đã kết hợp cả lý thuyết và thực nghiệm:

Nghiên cứu lý thuyết, là các bài báo khoa học, công trình nghiên cứu trong

và ngoài nước được đăng trên các tạp chí khoa học uy tín mà tác giả đã thu thập được Trên cơ sở các tổng hợp đó tác giả đánh giá, phân tích quy trình công nghệ, khả năng thành công cũng như các khả năng ứng dụng vào thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu thực nghiệm: Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết tác giả lựa chọn được loại bột hàn, bộ thông số chế độ hàn sơ bộ sau đó tiến hành thực nghiệm trên các thiết bị tại cơ sở từ đó đưa ra được các kết quả sơ bộ, tiến hành điều chỉnh

và cho ra kết quả cuối cùng từ đó rút ra các kết luận khoa học, tính mới và khả năng ứng dụng vào thực tiễn của đề tài

1.4 Một số đóng góp khoa học mới của luận văn

+ Trong điều kiện Việt Nam tác giả đã nghiên thành công cứu quy trình công nghệ hàn đắp phục hồi bề mặt làm việc của xupap động cơ M-530 với các kết quả chính sau đây:

+ Nghiên cứu áp dụng lý thuyết và khả năng công nghệ PTA vào việc phục hồi xupap cho động cơ máy thủy

+ Nghiên cứu, phân tích và lựa chọn được loại bột hàn sử dụng chế tạo lớp đắp cứng bề mặt dựa trên quá trình phân tích tính chất cơ – lý – hóa của xupap M-

530, điều kiện làm việc, các dạng hỏng, tổ chức tế vi, độ cứng lớp đắp của các mẫu xupap M-530

+ Nghiên cứu, phân tích và xử lý số liệu để lựa chọn được bộ thông số công nghệ hàn hợp lý trong điều kiện làm việc của xupap M-530

+ Chế tạo lớp đắp phục hồi bề mặt làm việc của xupap M-530

1.5 Lý do chọn đề tài

Với bờ biển trải dài từ Bắc vào Nam, Chính phủ đã xác định đóng tàu là ngành công nghiệp mũi nhọn và then chốt của nền kinh tế Số lượng tàu thuyền, đặc biệt là các loại tàu đánh cá, tàu vận chuyển hàng hóa, tàu quân sự rất lớn Theo tìm hiểu, khảo sát và nghiên cứu thực tế tại một số công ty vận tải biển của tác giả mỗi xupap trung bình làm việc được khoảng hơn 10.000 giờ do đó một con tàu mỗi năm cần thay thế khoảng 10-20 xupap xả Với đơn giá khoảng 20 triệu VNĐ (xupap Trung Quốc) Như vậy, mỗi năm một tàu trung bình sẽ tiêu tốn hết khoảng 200-400 triệu VNĐ cho việc mua xupap Với số lượng tàu biển nhiều như hiện nay, chỉ tính riêng chi phí mua xupap xả cũng đã tiêu tốn cả chục tỷ đồng mỗi năm Đây là một

số tiền không nhỏ khi có cả trăm ngàn các con tàu liên tục hoạt động hằng năm Mặt khác, việc phải nhập khẩu các loại xupap sẽ mất nhiều thời gian do đó có thể ảnh hưởng đến tiến độ của công việc và thời gian hoạt động của các tàu Từ trước đến nay, khi chúng ta chưa có dây chuyền hàn đắp phục hồi xupap trong nước thì đa phần các đơn vị sẽ phải gửi ra nước ngoài để phục hồi với giá thành có khi lên đến

cả 15 – 20 triệu VNĐ một chiếc Điều này gây tốn kém chi phí rất lớn, ngoài ra thời gian chờ đợt lâu có thể ảnh hưởng đến công việc Hoặc với các doanh nghiệp nhỏ lẻ thì họ sẽ thuê hàn đắp tại các xưởng sửa chữa nhỏ không chuyên nghiệp hoặc tự sửa chữa hàn đắp tại chỗ bằng công nghệ hàn đắp thông thường cho chất lượng rất thấp

và thời gian làm việc của xupap ngắn Khoảng 2.000 – 3.000 giờ so với khoảng 7.000 – 8.000 giờ nếu phục hồi bằng công nghệ PTA [32]

Cũng cần nói thêm là, khi các xupap bị hỏng nếu không được tái sử dụng lại

sẽ là một sự lãng phí vì loại vật liệu chế tạo xupap là loại vật liệu tốt, giá thành cao

Về thiết bị để hàn đắp phục hồi các chi tiết máy nói chung và xupap nói riêng hiện nay tại Việt Nam đã có hệ thống hàn đắp – phun phủ Plasma bột Tại trường

ĐH Bách Bách Khoa Hà Nội thiết bị này hầu như chưa được sử dụng vào quá trình nghiên cứu Tại công ty Cổ phần Việt Long hiện cũng chưa làm chủ được công nghệ này, công ty TNHH Trường Phát chủ yếu hàn đắp phục hồi lô nghiền đá Trong khi đó, đội ngũ các nhà khoa học và cán bộ nghiên cứu tại các trường Đại học, viện Nghiên cứu hiện nay đủ khả năng để nghiên cứu, sử dụng và làm chủ các các công nghệ này trong thực tiễn Do đó, một trong các vấn đề lớn được đặt ra đó

là làm sao để có thể phục hồi được một phần các xupap bị hư hỏng do các nguyên nhân bị mòn trong khi các tài liệu khoa học trong nước và nước ngoài không hề đề cập đến quy trình công nghệ để chế tạo, phục hồi do yếu tố bí mật công nghệ, nhưng chúng ta có các điều kiện về con người, trang thiết bị máy móc, một số các kết quả nghiên cứu từ các đề tài trên thế giới để có thể nghiên cứu và thực hiện việc phục hồi thành công Nếu việc xây dựng quy trình phục hồi và tiến hành phục hồi thành công sẽ giúp các nhà khoa học trong nước và đặc biệt là các doanh nghiệp sẽ chủ động hơn trong công việc, giảm giá thành chế tạo sản phẩm Từ những phân tích trên sau quá trình tìm hiểu, nghiên cứu tác giả đã quyết định lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp” Đây là một

đề tài có tính khả thi cao, có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn rất lớn Sự thành công của đề tài sẽ giúp các nhà khoa học, các doanh nghiệp trong nước làm chủ được công nghệ hàn tiên tiến và từng bước bắt nhịp với công nghệ chế tạo, hàn đắp – phục hồi các chi tiết máy của các nước tiên tiến trên Thế Giới Để thực hiện công trình nghiên cứu, tác giả đã bố cục luận văn gồm 4 chương:

Chương I: Tổng quan về xupap động cơ máy thủy

Chương II: Nghiên cứu công nghệ phục hồi xupap

Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm phục hồi xupap M530 bằng phương pháp hàn đắp plasma bột

Chương IV: Kiểm tra tổ chức, độ cứng của sản phẩm

Qua đây tác giả xin được bày tỏ sự cảm ơn tới Quý thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp, các đơn vị, tổ chức và cá nhân luôn sẵn sàng và hết lòng giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Đặc biệt, tác giả muốn gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thúc Hà, là người hướng dẫn khoa học của tác giả, PGS.TS Nguyễn Thúc Hà luôn luôn quan tâm đốc thúc công việc và tiến độ làm đề tài Tác giả cũng xin được gửi tới gia đình, đồng nghiệp, quý anh chị em của tác giả đã thường xuyên quan tâm tới quá trình hoàn thiện luận văn của tác giả

1.6 Kết luận chương I

Để phục hồi được xupap thành công tác giả cần phải hiểu rõ về cấu tạo, điều kiện làm việc và các tính chất có liên quan Qua đó lựa chọn phương pháp và quy trình công nghệ phục hồi Để nghiên cứu các vấn đề đó chương 1 của luận văn đã

tập trung giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu tổng quan, các điều kiện làm việc cũng như cấu tạo của xupap

- Nghiên cứu, phân tích các dạng hỏng điển hình của xupap, nguyên nhân và biện pháp khắc phục

- Nghiên cứu về tình hình ứng dụng các công nghệ hàn cho chế tạo, hàn đắp - phục hồi xupap máy thủy trên thế giới và tại Việt Nam

- Nghiên cứu, tổng hợp và tiếp cận được các bài báo, phát minh khoa học, các nguồn thông tin có liên quan, và xu hướng ứng dụng các công nghệ phục hồi xupap hiện nay để tác giả làm cơ sở lựa chọn phương pháp phục hồi

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI XUPAP

2.1 Phân tích lựa chọn phương pháp phục hồi xupap

2.1.1 Giới thiệu các phương pháp phục hồi

Xupap là chi tiết có bề mặt tiếp xúc và di chuyển tương đối trong quá trình làm việc Mà do quá trình làm việc lâu ngày bị mòn, bề mặt làm việc bị phá vỡ dẫn đến thay đổi về hình dạng và kích thước của bề mặt xupap Xupap bị mòn bề mặt còn trục có thể bị cong vênh như ta đã xét ở trên

Thông thường các hư hỏng do mài mòn lớp bề mặt sẽ làm mất khả năng làm việc khi đó cần thay thế, sửa chữa Vì vậy trong những năm qua một số cơ quan nghiên cứu đã nghiên cứu công nghệ phục hồi bề mặt chi tiết máy dựa trên các cơ

sở nghiên cứu nền tảng về hàn đắp và phục hồi :

+ Thiết lập và chế tạo dây chuyền công nghệ

+ Thiết lập công nghệ hàn đắp cho các chủng loại bề mặt khác nhau nhằm đảm bảo lắp đặt đạt được yêu cầu về độ bền cơ tính nói chung và cấu trúc tổ chức kim loại

Để đạt được yêu cầu trên, phương hướng nghiên cứu là :

+ Dùng các nguyên tố tạo cacbit để nâng cao độ cứng lớp đắp và các nguyên

tố biến tính để cải thiện thành phần hóa học và cấu trúc tổ chức lớp đắp hợp kim

+ Xác định chế độ công nghệ hàn để đảm bảo các yêu cầu về cơ tính và thành phần hóa học cũng như khả năng làm việc của lớp đắp

Đối với những hư hỏng dạng này ta phải đắp lên bề mặt xupap một lượng kim loại đắp để bù lại kích thước ban đầu và lượng dư gia công Lớp đắp kim loại phải đảm bảo các yêu cầu về cơ tính cũng như các đặc tính làm việc của bề mặt xupap

Có hai phương pháp phổ biến để phục hồi bề mặt xupap bị mài mòn:

+ Phun phủ kim loại

+ Hàn đắp

Ta sẽ đi nghiên cứu từng phương pháp để tìm ra phương pháp tối ưu nhất phục hồi xupap

2.1.1.1 Phun phủ kim loại

Do xupap không bị mài mòn quá nhiều nên chỉ yêu cầu lớp phủ không cần quá dày Với phạm vi tạo lớp phủ đạt được từ vài chục μm đến vài mm thì bằng phương pháp phun phủ có thể tạo lớp phủ theo yêu cầu

Khái niệm về phun phủ

Phun kim loại được phát hiện từ năm 1910 do một kỹ sư người Thụy Sĩ Schoop, nhưng cho mãi đến năm 1923 phương pháp công nghệ này mới được đưa vào trong sản xuất, lúc đầu phương pháp này chỉ dùng cho mục đích trang trí, đến chiến tranh thế giới thứ hai phun kim loại được sử dụng hầu như ở khắp Châu Âu

và phương pháp này trở nên rất vạn năng, có nhiều tính ưu việt trong các lĩnh vực như: chống gỉ, phục hồi và trang trí

Sau đó từng bước phun kim loại trở thành một chuyên ngành riêng, chuyên ngành này biểu hiện một mặt giống như phương pháp xử lý bề mặt, mặt khác giống như một phương pháp công nghệ sản xuất

Để đánh giá sự phát triển của phun kim loại, ta cần phải dựa trên cơ sở sự phát triển về thiết bị của nó Các phương pháp công nghệ và phạm vi sử dụng Trong thời gian hiện nay với sự phát triển về phun kim loại người ta đã chế tạo ra những loại đầu phun khác nhau, bao gồm các đầu phun bột kim loại, đầu phun gốm nhiên liệu khí cháy, đầu phun bằng hồ quang điện, đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun plasma với dây chuyền phun tự động

Hiện nay, phun kim loại được phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga Ở các nước này có những dây chuyền có công suất rất cao, khoảng một tấn vật liệu phun trong một ngày Các nước này sử dụng dạng phun kim loại trước tiên cho mục đích phục hồi các chi tiết máy mòn và bảo vệ chống gỉ các kết cấu thép, mặt khác còn dùng cho nhiều mục đích khác

Phun kim loại đã trở thành một ngành chuyên môn riêng biệt Hàng năm đều

có các hội nghị quốc tế về chuyên môn này Ở mỗi nước tiên tiến đều có các viện nghiên cứu có các tạp chí riêng và đã xây dựng nhiều tiêu chuẩn cho chuyên môn này

Nguyên lý của phương pháp công nghệ này là kim loại lỏng được dòng không khí nén thổi làm phân tán kim loại thành các giọt kim loại rất nhỏ và được phun lên bề mặt chi tiết cần được phun phủ (bề mặt này cần được làm sạch) Như vậy ta sẽ tạo ra một lớp kim loại phủ dày trong đó các phần tử kim loại đè lên nhau theo từng lớp Kim loại phủ bám vào bề mặt chi tiết nhờ khuếch tán hoặc thẩm thấu

tế vi

Với phương pháp phun phủ bằng khí nhiệt sẽ không làm thay đổi cấu trúc của kim loại cơ bản, không gây biến dạng, tạo ra lớp phủ có độ cứng cao, tính chống mài mòn tốt, hay có thể tạo nên lớp phủ đặc biệt: các lớp phủ kim loại, các lớp phủ keramik…

Khảo sát 3 phương pháp phun phủ kim loại

+ Phun phủ kim loại dùng đầu phun bằng điện

Đầu phun hồ quang điện được sử dụng rộng rãi và có công suất lớn Nguyên lý làm việc của nó như hình vẽ 2.1 Hai dây (điện cực) được dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau Các dây kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp điện, khi tiếp xúc nhau sẽ gây ngọn lửa hồ quang

có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu dây kim loại

Hình 2 1: Đầu phun hồ quang điện

Hình 2 2: Sơ đồ thiết bị phun hồ quang điện Hiện nay có rất nhiều loại đầu phun hồ quang điện như: эM 3A, эM 3A, эM 3A, эM 3A, của Liên bang Nga, S J-54, EMP-2-57, .của Tiệp Khắc (cũ); OSU-HESSLER-300A-ROTARY (của Đức)

+ Phun phủ kim loại dùng đầu phun bằng ngọn lửa khí cháy

Các đầu phun kiểu ngọn lửa khí đều sử dụng ngọn lửa hỗn hợp khí từ các khí cháy khác nhau với ôxy như axêtylen, mêtan, prôpan-butan, khí thiên nhiên, khí dầu hoả, vv Trong đó đại đa số các đầu phun dùng ngọn lửa axêtylen và ôxy, ngọn lửa này cho nhiệt độ cao nhất, vì vậy nó có thể phun với vật liệu có nhiệt độ chảy cao đến

28000C

Các loại đầu phun bằng khí cháy như MҐИ-1 của Nga, loại GPM-L2 của Ba Lan, đầu phun AD-1 của Tiệp Khắc (cũ), đầu phun ROTOTEC-80 của Thuỵ Sỹ, đầu phun FONTAR-ZJET của cộng hoà Liên bang Đức Nói chung các loại đầu phun này đều là loại đầu phun cầm tay và có thể dùng để phun với các loại vật liệu phun, đặc biệt là kim loại màu ở dạng dây hoặc bột Hỗn hợp khí cháy là loại axêtylen hoặc prôpan với ôxy Ngọn lửa khí cháy làm chảy dây hoặc bột kim loại trên miệng vòi phun Sau đó kim loại được phun bằng dòng khí nén hoặc dòng ôxy ( hình 2.3; 2.4)

Hình 2 3: Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun phủ ngọn lửa

Cơ cấu dịch chuyển dây phun của đầu phun này đều được thực hiện từ chuyển động của tuabin khí nén qua bộ truyền khí

Hình 2 4: Sơ đồ súng phun khí-bột kim loại ROTOTEC-80 (Thuỵ Sỹ)

1-bột phun; 2- miệng phun; 3- chốt điều chỉnh lượng bột 4- buồng khí C2H2; 5-buồng hỗn hợp khí cháy; 6- lỗ dẫn bột;

7- cửa dẫn ôxy; 8- cửa dẫn C2H2; 9- cần điều khiển phun

Các loại đầu phun hiện nay có rất nhiều, tuy nhiên chúng vẫn chưa đáp ứng được những yêu cầu đòi hỏi cao của kỹ thuật Phương hướng thiết kế các đầu phun hiện nay theo các điều kiện sau:

- Đầu phun phải làm việc được với mọi phạm vi thời gian của công việc, tức

là có thể tắt hoặc gây hồ quang thường xuyên mà vẫn đảm bảo an toàn

- Đầu phun có cấu tạo từ các chi tiết chịu mài mòn cao chủ yếu là bộ truyền dây và đầu dẫn hướng

- Đầu phun làm việc ổn định với các thông số phun trong thời gian dài

- Đầu phun có chùm tia phun tập trung

- Đầu phun có sự tiêu hao khí nén là ít nhất

- Đầu phun cho cấu trúc lớp phủ chất lượng tốt nhất

- Đầu phun có thể tự động điều chỉnh dòng điện và áp lực khí nhỏ, các cơ cấu được tự động hoặc cơ khí hoá

+ Phun phủ kim loại dùng đầu phun plasma

Nguyên lý phun phủ plasma là dùng nguồn nhiệt plasma để làm chảy vật liệu bột và áp lực khí thổi các hạt phun lên bề mặt chi tiết phun Nhiệt độ của tâm nguồn nhiệt plasma rất cao có thể đạt tới 60000C do đó phun phủ plasma có thể phun phủ được tất cả các vật liệu

Hình 2 5: Nguyên lý phun phủ plasma

Ưu điểm của phương pháp phun phủ plasma:

- Có thể dùng để phun các loại vật liệu kim loại, hợp kim, ôxyt kim loại, cacbit, gốm

- Chất lượng lớp phủ đạt cao

- Có thể dùng thay thế các phương pháp nói trên

- Có thể cơ khí hóa, tự động hóa toàn bộ thiết bị để phun phủ trong các điều kiện khác nhau

Nhận xét về các phương pháp phun phủ trên: Các phương pháp trên đây thì

độ bám dính của lớp phủ chính là yếu tố quan trọng nhất quyết định đến độ bền và

sự làm việc ổn định của chi tiết Trong trường hợp này bề mặt xupap cần phục hồi

là phần tiếp xúc của bề mặt nấm xupap với mặt quy lát, chi tiết làm việc trong điều kiện chịu tải trọng va đập môi trường nhiệt độ cao, khả năng bám dính của lớp phun phủ với kim loại cơ bản thấp, nếu không đủ độ bám dính thì sẽ có hiện tượng bong từng mảng, róc lớp phủ ngoài, trên thực tế thì phương pháp phun phủ rất ít được áp dụng để phục hồi trục xupap

2.1.1.2 Hàn đắp

Là phương pháp công nghệ dùng các phương pháp hàn tạo nên các lớp kim loại có các tính chất cần thiết (đặc biệt) trên bề mặt chi tiết Hàn đắp là một quá trình đem phủ lên bề mặt chi tiết một lớp kim loại nhằm thay đổi kích thước, hình dáng và tính chất của bề mặt bằng các phương pháp hàn khác nhau

Hàn đắp có thể dùng để phục hồi các chi tiết bị mài mòn, do đã qua thời gian làm việc như cổ trục khuỷu, bánh xe lửa, khuôn dập, dao cắt nóng, Sử dụng hàn đắp để phục hồi các chi tiết máy là một phương pháp rẻ tiền mà khả năng làm việc của chi tiết không thua kém chi tiết mới bao nhiêu Ngoài ra phục hồi bằng hàn đắp còn có thể cải thiện được tính chất cơ lý của chi tiết làm tăng tuổi thọ của nó Hàn đắp cũng có thể sử dụng để chế tạo chi tiết mới Dùng hàn đắp để tạo nên một lớp bimetal với các tính chất đặc biệt hoặc tạo ra một lớp kim loại có những khả năng về chịu mài mòn, tăng ma sát

Vật liệu hàn đắp có thể là thép các bon, thép chịu mài mòn, thép có tính chất đặc biệt như chịu nhiệt, độ cứng cao, bền nhiệt, chịu axít

Hàn đắp tiết kiệm kim loại, nó phục hồi được các chi tiết hỏng bề mặt Có tính cơ động cao, có năng suất cao, dễ tự động hoá

Những tồn tại của công nghệ hàn đắp: Phải gia công lại sau khi hàn, tạo ứng suất dư trong lớp hàn (ứng suất nhiệt); chi tiết bị biến dạng, có thể bị nứt (thô đại, tế vi); phải chuẩn bị bề mặt trước khi hàn

Lớp kim loại đắp: Tính chất lớp bề mặt thay đổi, phụ thuộc vào phương pháp hàn và vật liệu hàn Lớp đắp đạt độ cứng cao, chống mài mòn, tổ chức kim loại ổn định, thành phần hóa học khác kim loại cơ bản, có thể tồn tại ứng suất dư sau hàn Cấu trúc và tổ chức mối hàn không đồng nhất, dễ gây ra các khuyết tật gần mối hàn

Hàn đắp là một trong số các công nghệ chủ yếu đóng vai trò quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong công tác sửa chữa Trình độ hàn và hàn đắp hiện nay cho phép phục hồi được những chi tiết phức tạp và đắt tiền bị mài mòn và hư hỏng trong quá trình sử dụng với chất lượng tốt và tiết kiệm

Đối với các chi tiết phục hồi bề mặt, phục hồi bằng hàn đắp bao gồm loại

có bề mặt tiếp xúc và di chuyển tương đối trong quá trình làm việc Dạng hư hỏng chung của hai loại này là bị mài mòn dẫn đến làm thay đổi kích thước, hình dáng hình học Đây là dạng hư hỏng tự nhiên phổ biến của các chi tiết máy móc cơ khí Các chi tiết loại này bao gồm những chi tiết mòn do ma sát và nén ép Phần lớn các chi tiết làm việc thực hiện quá trình tiếp xúc lẫn nhau (liên tục hoặc theo chu kỳ)

Công nghệ hàn có vị trí quan trọng trong công nghệ chế tạo máy Hiện nay, nó đang được sử dụng rất phổ biến trong các cơ sở sửa chữa để phục hồi chi tiết ở nước ta Nhiều vấn đề trong công nghệ cụ thể như mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và chất lượng chi tiết hàn, phạm vi và quy trình trong các trường hợp phục hồi cụ thể, các nguyên tắc cơ bản khi phân tích, lựa chọn các quy phạm

và một số phương pháp hàn phục hồi đang được phổ cập ở nước ta

Hiện nay công nghệ hàn đã phát triển đến mức cao, toàn diện về thể loại cũng như chất lượng Nhiều công việc cũng như toàn bộ quá trình công nghệ đã tiến đến bán tự động và tự động Để nâng cao năng suất hàn và chất lượng lớp kim loại hàn vào việc phục hồi các chi tiết máy, ngoài phương pháp phục hồi bằng các phương pháp thông thường như đã nói ở trên phương pháp hàn đắp bằng cơ khí tự động, bán tự động và tự động điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Nước ta đã có một số cơ sở sản xuất, cơ quan nghiên cứu đang nghiên cứu ứng dụng công nghệ này Tùy theo mức độ cơ khí và phương pháp thực hiện

mà trong phương pháp hàn đắp cơ khí tự động người ta chia thành các loại: hàn bán

tự động, hàn tự động và hàn rung động (hay còn gọi là hàn chấn động)

Các phương pháp hàn đắp để phục hồi xupap:

+ Hàn đắp bằng hồ quang tay(SMAW)

Hàn hồ quang tay là phương pháp hàn phục hồi đầu tiên trong ngành sửa chữa phục hồi chi tiết máy được dùng rất phổ biến với việc sử dụng điện cực nóng chảy Nó được áp dụng nhiều trong công việc phục hồi, đơn giản dễ vận hành, mất

ít thời gian cho công tác chuẩn bị thao tác hàn rất linh động có thể hàn được mọi tư thế Nên có thể phù hợp với tất cả chủng loại chi tiết, đặc biệt là chi tiết có hình dạng phức tạp

Sự hình thành của kim loại mối hàn có thể được xem như sự hòa trộn của kim loại đắp và kim loại cơ bản ở trạng thái nóng chảy khi hàn Trong đó thành phần của kim loại đắp chính là kim loại bổ sung từ điện cực, dây hàn phụ…Nguyên

lý hàn hồ quang tay xem hình 2.6