(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng càng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI
HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ
CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN VINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TÔI
ĐẾN ĐỘ CỨNG BỀ MẶT CHI TIẾT DẠNG CÀNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

SKC006680

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN VINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TÔI ĐẾN ĐỘ
CỨNG BỀ MẶT CHI TIẾT DẠNG CÀNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN VINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TÔI ĐẾN ĐỘ
CỨNG BỀ MẶT CHI TIẾT DẠNG CÀNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS PHẠM SƠN MINH
ThS NGUYỄN VINH DỰ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2020


QUYẾT ĐỊNH

i


BIÊN BẢN CHẤM CỦA HỘI ĐỒNG

ii


NHẬN XÉT CỦA 02 PHẢN BIỆN

iii


iv


v


vi


vii


LÝ LỊCH KHOA HỌC

viii


ix


LỜI CAM ĐOAN
Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt chi tiết dạng
càng”.
- GVHD: PGS.TS. Phạm Sơn Minh

ThS. Nguyễn Vinh Dự

- Họ tên học viên:

Lê Văn Vinh

- MSHV:

1920424;

- Số điện thoại liên lạc:

Lớp: CKM19A

0908.046777

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là cơng trình do chính tơi nghiên
cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được cơng bố
mà khơng trích dẫn nguồn gốc.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2020
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Văn Vinh

x


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình học tập, nghiên cứu, hồn thiện luận văn Thạc sĩ này, tôi đã
học được rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu từ quý Thầy, Cơ, Bạn bè, Đồng

nghiệp. Với tình cảm chân thành và lịng biết ơn sâu sắc, cho phép tơi gửi lời cảm
ơn chân thành đến:
Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí Chế tạo máy trường
Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, cùng quý Thầy, Cơ của Trường đã tận
tình giảng dạy, cung cấp những kiến thức, kinh nghiệm, góp ý, tạo mọi điều kiện
giúp đỡ tơi trong q trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Đặc biệt
Thầy PGS.TS. Phạm Sơn Minh đã ln tận tình hướng dẫn, động viên, cung cấp tài
liệu, đưa ra những lời khuyên, định hướng và bước đi đúng đắn trong suốt thời gian
thực hiện đề tài.
Các bạn học viên lớp CKM19A, các đồng nghiệp, gia đình cũng đã chia sẻ
những buồn vui, khó khăn cũng như nhiệt tình giúp đỡ tơi trong suốt q trình học.
Mặc dù đã nỗ lực cố gắng rất nhiều nhưng kiến thức cũng có những hạn chế
nhất định, thời gian nghiên cứu không nhiều nên luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót. Tơi rất mong nhận được sự thơng cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý
kiến của các nhà khoa học, của quý thầy cô, các cán bộ quản lý và các bạn đồng
nghiệp để luận văn được hồn thiện hơn.
Một lần nữa tơi xin chân thành cám ơn!

xi


TĨM TẮT
Trong Cơ khí chế tạo nhiệt luyện đóng một vai trị quan trọng vì khơng những
nâng cao chất lượng sản phẩm như kéo dài thời gian làm việc của chi tiết; nâng cao
độ bền lâu của cơng trình, máy móc thiết bị mà cịn là thước đo để đánh giá trình độ
phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi quốc gia.
Ngày nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nhiệt
luyện bằng phương pháp tôi cảm ứng bề mặt cục bộ nhằm nâng cao cơ tính vật liệu
chi tiết. Đa phần các ứng dụng tập trung vào tôi cảm ứng bề mặt chi tiết dạng trục
và các chi tiết yêu cầu độ mài mòn khi làm việc như bánh răng, cơ cấu cam… Tuy

nhiên việc áp dụng tôi cảm ứng cho các chi tiết phức tạp, có biên dạng khơng đồng
đều, đặc biệt là chi tiết dạng càng vẫn chưa phổ biến. Nhiều quốc gia tiên tiến trên
thế giới cịn bí mật về cơng nghệ nhiệt luyện này.
Xử lý nhiệt được dùng để làm tăng độ cứng bề mặt chi tiết máy là một phần
khơng thể thiếu trong ngành gia cơng cơ khí. Độ cứng bề mặt của chi tiết có khả
năng chống mài mịn cao cho sản phẩm. Q trình xử lý nhiệt cảm ứng là một
phương pháp được sử dụng rộng rãi để cải thiện tính chất về nhiệt cho các sản phẩm
thép. Việc xử lý nhiệt trong q trình tơi cục bộ cho các chi tiết thường được đơn
giản hoá thành các cấu hình khối trụ đơn giản với tiết diện là hình trịn, hình chữ
nhật, hình vng. Trong luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ
cứng bề mặt chi tiết dạng càng” tập trung việc nghiên cứu q trình tơi cục bộ chi
tiết có bề mặt cong phức tạp nói chung và chi tiết dạng càng nói riêng, tốc độ tơi
đóng vai trị quan trọng đến độ cứng bề mặt của chi tiết đó.
Qua q trình mô phỏng và thực nghiệm tôi cứng bề mặt chi tiết “Cần gạt” cho
thấy rằng việc làm cứng bề mặt chi tiết bằng dòng điện tần số cao với năng lượng
nhiệt tập trung chủ yếu ở lớp bên ngoài chi tiết và nhiệt độ tôi, tốc độ tôi đã ảnh
hưởng trực tiếp đến độ cứng của thép sau khi tôi.

xii


ABSTRACT
In the heat treatment mechanical engineering, it has an important role because
in improving the quality of products such as extending the working time of parts;
improving the durability of works, machinery and equipment, also on measuring
assessment the level of scientific and technical development of each country.
Today, there are many researches and applications of heat treatment technology in
the local surface induction tempering method to improve the mechanical properties of
parts. Most applications focus on induction tempering the surface of axial parts and
details that require abrasion when working such as gears, cam mechanisms ...

However, the application of induction tempering for complex parts profile, which
has an uneven shape, is particularly uncommon in the detail. Many advanced
countries in the world have secrets about this heat treatment technology.
The heat treatment used to increase the surface hardness of machine parts is
an integral part of the mechanical processing industry. The surface hardness of the
part is highly abrasion resistant for the product. Induction heat treatment is a widely
used method to improve the thermal properties of steel products. The heat treatment
during local quenching of parts is often simplified into simple cylindrical
configurations with cross, rectangular and square sections. In this thesis, "Studying
the effect of the tempering speed on the surface hardening of more detailed parts"
focused on studying the localized hardening process of complex curved surfaces in
general and the more specific form details, tempering speed has an important role in
the surface hardness of that part.
Through simulation and hardening of the surface, the "shift level" showed
that the hardening of the surface of the workpiece by high frequency electric current
with heat energy concentrated mainly in the outer layer of details and heat. The
temperature heat treatment , the heat treatment speed have directly affected the
hardness of steel after heat treatment.
xiii


MỤC LỤC
Trang tựa
Trang
QUYẾT ĐỊNH.................................................................................................. i
BIÊN BẢN CHẤM CỦA HỘI ĐỒNG............................................................. ii
NHẬN XÉT CỦA 02 PHẢN BIỆN................................................................iii
LÝ LỊCH KHOA HỌC................................................................................. viii
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................. x

LỜI CẢM ƠN................................................................................................. xi
TÓM TẮT...................................................................................................... xii
ABSTRACT.................................................................................................. xiii
MỤC LỤC..................................................................................................... xiv
DANH SÁCH CÁC HÌNH........................................................................... xvii
DANH SÁCH CÁC BẢNG........................................................................... xx
Chương 1.......................................................................................................... 1
TỔNG QUAN.................................................................................................. 1
1.1.

Giới thiệu...........................................................................................1

1.2.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................2

1.2.1. Ý nghĩa khoa học..........................................................................2
1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn...........................................................................2
1.3.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài...........................................................2

1.3.1. Mục tiêu tổng quát........................................................................2
1.3.2. Mục tiêu cụ thể.............................................................................2
1.4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................3

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu...................................................................3
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu......................................................................3

1.5. Tính cấp thiết của đề tài:.....................................................................4
1.6. Các nghiên cứu ngoài nước và trong nước.............................................5
1.6.1. Nghiên cứu ngoài nước...................................................................5
xiv


1.6.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước 14
1.7.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu.............................................. 19

1.7.1.

Nội dung nghiên cứu
...19

1.7.2.

Phương pháp nghiên
19

cứu
1.8.

Kế hoạch và thời gian thực hiện....................................................... 20

1.9.

Kết cấu của luận văn......................................................................... 21

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................... 23
2.1. Định nghĩa và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tôi bề mặt.............23
2.1.1. Định nghĩa:

23

2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình tơi bề mặt

23

2.2. Tơi cảm ứng bề mặt chi tiết.................................................................. 24
2.2.1. Nguyên lý tôi cảm ứng

24

2.2.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp tôi cao tần 25
Chương 3. MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TÔI TRONG Q
TRÌNH TƠI CỤC BỘ............................................................................................. 29
3.1. Ý tưởng thực hiện................................................................................ 29
3.2. Giới thiệu về phần mềm Comsol.......................................................... 30
3.3. Phương pháp thực hiện........................................................................ 32
3.4. Kết quả phân tích................................................................................. 37
3.5. Kết luận................................................................................................ 41
Chương 4. THỰC NGHIỆM CÁC THÔNG SỐ TÔI CỤC BỘ.....................42
4.1. Thực nghiệm tôi và kiểm tra độ cứng bề mặt A của chi tiết dạng càng
“Cần gạt” làm bằng vật liệu C45 với các thông số tốc độ tôi thay đổi.................43
4.1.1. Mẫu thực nghiệm:
4.1.2. Vật liệu:

43

44

4.1.3. Nhiệt luyện chi tiết dạng càng “Cần gạt” 44
4.2. Thực nghiệm tôi và kiểm tra độ cứng bề mặt A của chi tiết dạng càng
“Cần gạt” làm bằng vật liệu C50 với các thông số tốc độ tôi thay đổi.................48


xv


4.2.1. Mẫu thực nghiệm:......................................................................... 48
4.2.2. Vật liệu:........................................................................................ 48
4.2.3. Nhiệt luyện chi tiết dạng càng “Cần gạt”...................................... 48
4.3. Thực nghiệm tôi và kiểm tra độ cứng bề mặt A của chi tiết dạng càng
“Cần gạt” làm bằng vật liệu C20 với các thông số tốc độ tôi thay đổi.................52
4.3.1. Mẫu thực nghiệm:......................................................................... 52
4.3.2. Vật liệu:........................................................................................ 53
4.3.3. Nhiệt luyện chi tiết dạng càng “Cần gạt”...................................... 53
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.......................58
5.1. Kết luận................................................................................................ 58
5. 2. Hướng phát triển của đề tài:................................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 59
PHỤ LỤC....................................................................................................... 62

xvi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 1. 1. Chi tiết dạng càng “Cần gạt”.................................................................... 3
Hình 1. 2. Mơ hình và kết quả mơ phỏng q trình gia nhiệt trên Ansys..................6
Hình 1. 3. Mơ hình và kết quả tơi cảm ứng chi tiết trụ nhỏ....................................... 7
Hình 1. 4. Mơ hình tơi cảm ứng từ trong q trình thí nghiệm................................. 7
Hình 1. 5. Mơ hình thí nghiệm và tổ chức tế vi đạt được sau khi tơi cảm ứng..........8
Hình 1. 6. Phân bố nhiệt độ bề mặt biên dạng răng.................................................. 9
Hình 1. 7. Mơ phỏng quá trình gia nhiệt cảm ứng từ và làm nguội trục vít me bi. .11
Hình 1. 8. Ảnh hưởng của tần số tôi cảm ứng trong hai trường hợp mơ phỏng và thực

nghiệm.................................................................................................................... 12
Hình 1. 9. Đồ thị ứng suất sau tơi theo phương tiếp tuyến và vng góc bề mặt biên
dạng đỉnh răng......................................................................................................... 12
Hình 1. 10. Phân bố ứng suất sau quá trình gia nhiệt.............................................. 13
Hình 1. 11. Mơ hình thí nghiệm tơi cảm ứng trên Ansys........................................ 14
Hình 1. 12. Lò giếng điện trở thấm C, C - N.......................................................... 16
Hình 1. 13. Mơ phỏng q trình tơi phân cấp......................................................... 17
Hình 1. 14. Quy trình nhiệt luyện thép SKD61....................................................... 18
Hình 2. 1. Sơ đồ quá trình nhiệt luyện ……………………………………………24
Hình 2. 2. Ngun lý tơi cảm ứng........................................................................... 24
Hình 3. 1. Biểu tượng phần mềm Comsol………………………………..………..30
Hình 3. 2. Mơi trường làm việc Comsol................................................................. 31
Hình 3. 3. Giao diện cần thực hiện của Model Wizard........................................... 31
xvii


Hình 3. 4. Bản vẽ chi tiết dạng càng “Cần gạt”...................................................... 32
Hình 3. 5. Thiết kế Cần gạt trên Solidworks........................................................... 33
Hình 3. 6. Thiết kế cuộn dây gia nhiệt và cần gạt trên Solidworks.........................33

Hình 3. 7. Import chi tiết thiết kế (.prt) sang phần mềm Comsol............................34
Hình 3. 8. Giao diện thực hiện chia lưới trên Comsol............................................ 34
Hình 3. 9. Chia lưới cho nguồn gia nhiệt................................................................ 35
Hình 3. 10. Thiết lập Time Dependent.................................................................... 36
Hình 3. 11. Thiết lập Coil Geometry Analysis........................................................ 36
Hình 3. 12. Thiết lập Frequency Domain (tần số)................................................... 37
Hình 3. 13. Kết quả phân tích gia nhiệt 1,8 s, tốc độ tơi 0,5 mm/s.........................37
Hình 3. 14. Biểu đồ phân tích gia nhiệt 1,8 s, tốc độ tơi 0,5 mm/s.........................38
Hình 3. 15. Kết quả phân tích gia nhiệt 1,9 s, tốc độ tơi 0,4 mm/s.........................38
Hình 3. 16. Biểu đồ phân tích gia nhiệt 1,9 s, tốc độ tơi 0,4 mm/s.........................39
Hình 3. 17. Kết quả phân tích gia nhiệt 2s, tốc độ tơi 0,3 mm/s.............................39
Hình 3. 18. Biểu đồ phân tích gia nhiệt 2s, tốc độ tơi 0,3 mm/s.............................40
Hình 3. 19. Kết quả phân tích gia nhiệt 2,1 s, tốc độ tơi 0,2 mm/s.........................40
Hình 3. 20. Biểu đồ phân tích gia nhiệt 2,1 s, tốc độ tơi 0,2 mm/s.........................41
Hình 4. 1. Chi tiết trước khi tơi

………………………………………………...42

Hình 4. 2. Vị trí giữa chi tiết và cuộn dây gia nhiệt cảm ứng trước khi tơi.............42
Hình 4. 3. Chi tiết bắt đầu được gia nhiệt trong q trình tơi.................................. 42
Hình 4. 4. Miền nhiệt độ phân bố trên bề mặt chi tiết trong quá trình tơi...............42
Hình 4. 5. Chi tiết và bề mặt A sau khi tôi.............................................................. 42
xviii


Hình 4. 6. Kích thước chi tiết dạng càng “Cần gạt”................................................ 43
Hình 4. 7. Mẫu thí nghiệm...................................................................................... 43
Hình 4. 8. Vị trí đo độ cứng.................................................................................... 45
Hình 4. 9. Ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt A của chi tiết (C45).......46
Hình 4. 10. Ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt A tại 5 vị trí (C45).......46

Hình 4. 11. Cấu trúc tế vi của bề mặt A của chi tiết (C45) với các tốc độ khác nhau
47
Hình 4. 12. Ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt A của chi tiết (C50).....51
Hình 4. 13. Ảnh hưởng của tốc độ tơi đến độ cứng bề mặt A tại 5 vị trí (C50).......51
Hình 4. 14. Cấu trúc tế vi của bề mặt A của chi tiết dạng càng “Cần gạt” làm bằng
vật liệu C50 với các tốc độ 0,2 mm/s; 0,3 mm/s; 0,4 mm/s; 0,5 mm/s....................52
Hình 4. 15. Ảnh hưởng của tốc độ tôi đến độ cứng bề mặt A của chi tiết (C20).....55
Hình 4. 16. Ảnh hưởng của tốc độ tơi đến độ cứng bề mặt A tại 5 vị trí (C20).......56

xix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

Trang

Bảng 4. 1. Thành phần hóa học của thép C45......................................................... 44
Bảng 4. 2. Kết quả đo độ cứng tại 5 vị trí ở mặt A khi tơi với tốc độ tôi thay đổi từ
0,2 mm/s đến 0,5 mm/s với mẫu thép C45.............................................................. 45
Bảng 4. 3. Thành phần hóa học của thép C50......................................................... 48
Bảng 4. 4. Kết quả đo độ cứng tại 5 vị trí ở mặt A khi tôi với tốc độ tôi thay đổi từ
0,2 mm/s đến 0,5 mm/s với mẫu thép C50.............................................................. 50
Bảng 4. 5. Thành phần hóa học của thép C20......................................................... 53
Bảng 4. 6. Kết quả đo độ cứng tại 5 vị trí ở mặt A khi tôi với tốc độ tôi thay đổi từ
0,2 mm/s đến 0,5 mm/s với mẫu thép C20.............................................................. 55

xx

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu

Trong Cơ khí chế tạo nhiệt luyện đóng một vai trị quan trọng vì khơng những
nâng cao chất lượng sản phẩm như kéo dài thời gian làm việc của chi tiết mà còn là
thước đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi quốc gia.
Ngày nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nhiệt
luyện bằng phương pháp tôi cảm ứng bề mặt cục bộ nhằm nâng cao cơ tính vật liệu
chi tiết. Đa phần các ứng dụng tập trung vào tôi cảm ứng bề mặt chi tiết dạng trục
và các chi tiết yêu cầu độ mài mòn khi làm việc như bánh răng, cơ cấu cam… Tuy
nhiên việc áp dụng tôi cảm ứng cho các chi tiết phức tạp, có biên dạng khơng đồng
đều, đặc biệt là chi tiết dạng càn vẫn chưa phổ biến. Nhiều quốc gia tiên tiến trên
thế giới cịn bí mật về cơng nghệ nhiệt luyện này.
Q trình xử lý nhiệt bề mặt chi tiết địi hỏi một quy trình chặt chẽ có kiểm sốt
thời gian, tốc độ trao đổi nhiệt trên vật liệu. Việc xử lý nhiệt trong q trình tơi cục bộ
cho các chi tiết thường được đơn giản hoá thành các cấu hình khối trụ đơn giản với tiết
diện là hình trịn, hình chữ nhật, hình vng. Tuy nhiên trong sản xuất cơng nghiệp,
máy móc thiết bị cơ khí luôn luôn đa dạng về kết cấu, đa dạng về chủng loại,
… đòi hỏi chi tiết máy phải đa dạng về cấu hình chi tiết và việc áp dụng tơi cảm ứng

cho các chi tiết phức tạp, có biên dạng không đồng đều, đặc biệt là chi tiết dạng càng

vẫn chưa phổ biến. Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ tôi chi tiết dạng càng nói riêng và
tơi chi tiết có bề mặt cong phức tạp nói chung ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề
mặt chi tiết tơi.
Để góp phần vào định hướng giảm các chi phí trong q trình tôi bề mặt phức
tạp và đem lại chất lượng sản phẩm tơi tốt nhất cho các chi tiết cơ khí. Kết quả của

đề tài sẽ góp phần giúp cho các cơ sở chế tạo cơ khí có được cơ sở lý luận, các
thông số công nghệ khả thi áp dụng vào quy trình chế tạo, sản xuất ở đơn vị mình.

1