intTypePromotion=1

Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

0
41
lượt xem
2
download

Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Năng lượng nổ cũng được ứng dụng trong việc tạo phôi hợp kim nhiều lớp đồng thời kết hợp với nhiều phương pháp công nghệ truyền thống như: phun nổ tạo lớp phủ kim loại lên bề mặt kim loại nền, ép nổ tạo hình vật liệu bột kim loại, dập nổ biến dạng tạo hình các hợp kim khó biến dạng dẻo, gia công biến cứng chi tiết bằng thép hợp kim tại những vùng cục bộ chịu tải trọng lớn...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> TẠO LỚP PHỦ THÉP HỢP KIM TRÊN BỀ MẶT CHI TIẾT DẠNG TRỤ<br /> BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN NỔ<br /> Hà Minh Hùng - Phạm Văn Quế (Viện Nghiên cứu Cơ khí)<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề:<br /> Sử dụng năng lượng nổ trong gia công kim loại bằng áp lực là một trong các phương<br /> pháp biến dạng tạo hình tiên tiến để tạo phôi, hoặc phục hồi các chi tiết máy có hình thù từ đơn<br /> giản đến phức tạp mà không cần phải đầu tư thiết bị tạo áp lực lớn nhờ có nhiều ưu điểm và tính<br /> chất đặc biệt của quá trình nổ, và do vậy đã được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi tại các nước<br /> công nghiệp tiên tiến như Mỹ, Liên Xô trước đây, Nhật Bản và nhiều nước khác, trong đó đã có<br /> một vài nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam.<br /> Ở Mỹ, người ta đã sử dụng năng lượng nổ để hàn các tấm kim loại kích thước lớn có diện<br /> tích đến 34 m2 với nhau bằng một lần nổ mà không cần thiết bị tạo áp lực nào có thể thay thế được.<br /> Năng lượng nổ cũng được ứng dụng trong việc tạo phôi hợp kim nhiều lớp đồng thời kết hợp với<br /> nhiều phương pháp công nghệ truyền thống như: phun nổ tạo lớp phủ kim loại lên bề mặt kim loại<br /> nền, ép nổ tạo hình vật liệu bột kim loại, dập nổ biến dạng tạo hình các hợp kim khó biến dạng dẻo,<br /> gia công biến cứng chi tiết bằng thép hợp kim tại những vùng cục bộ chịu tải trọng lớn...<br /> Hàn bằng năng lượng nổ đã được các nhà khoa học trên thế giới, trong đó có Liên Xô<br /> trước đây, đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi các chi tiết<br /> máy có kích thước và khối lượng lớn ngay tại hiện trường sử dụng, ví dụ như: hàn phục hồi các<br /> chỗ hư hỏng trên đường ống dẫn dầu khí, tạo phôi để làm các bể chứa chịu ăn mòn hoá học, chế<br /> tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp từ những kim loại và hợp kim khó biến dạng dẻo ở điều kiện<br /> thông thường dùng trong công nghiệp hàng không và vũ trụ. Một lĩnh vực ứng dụng năng lượng<br /> nổ khác trên thế giới là phục hồi các chi tiết từ vật liệu bằng thép và hợp kim mầu khác có dạng<br /> ống như xy lanh thuỷ lực, dạng cánh tuốc bin thuỷ khí, các gối tựa chịu lực dạng cầu... cũng rất<br /> có hiệu quả kinh tế [1].<br /> 3. Cách tiếp cận<br /> - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn nổ để biến dạng dẻo tóp ống chi tiết dạng hình trụ để từ<br /> đó tính toán lượng thuốc nổ sử dụng cần thiết để thí nghiệm phục hồi một số xy lanh thuỷ lực<br /> bằng thép trong bộ giảm xóc xe ô tô vận tải mỏ tại Quảng Ninh;<br /> - Nghiên cứu thực nghiệm phát triển công nghệ hàn nổ tóp ống để tạo phôi bimetal dạng<br /> trụ từ vật liệu lõi thép bên trong là thép chế tạo máy thông thường (thép 45), và lớp phủ bề mặt<br /> làm việc của một số chi tiết máy bằng thép hợp kim chịu mòn cao (thép ШХ15);<br /> - Nghiên cứu tính chất biên giới hai lớp bimetal thép 45 + thép ШХ15 sau hàn nổ theo một<br /> số phương pháp ở các công trình [1÷5].<br /> 3. Nội dung báo cáo<br /> 3.1. Bài toán biến dạng tóp ống kim loại bằng năng lượng nổ<br /> Chúng ta quan sát một ống kim loại hình trụ có bán kính ngoài R1 và bán kính trong R2,<br /> chịu áp lực p phân bố đều ở mặt ngoài (hình 1). Khi p đạt một giá trị p1 nào đó thì ống kim loại<br /> 45<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> bắt đầu biến dạng dẻo và các phân tố của ống bị dịch chuyển vào phía tâm một cách đối xứng.<br /> Để đơn giản hóa quá trình tính toán, chúng tôi giới hạn ống kim loại có chiều dầy nhỏ so với<br /> bán kính của ống. Từ đó cho phép có thể bỏ qua ảnh hưởng của chiều dài ống trong phép tính,<br /> và ta có thể coi như bài toán phẳng. Khi đó, phương trình cân bằng ứng suất tại một phần tử nhỏ<br /> của ống khi chưa chuyển động trong tọa độ cực có dạng:<br /> <br /> dσ r σ r − σ ϕ<br /> +<br /> =0<br /> dr<br /> r<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Theo điều kiện dẻo Misses:<br /> <br /> σr −σϕ =<br /> <br /> 2<br /> 3<br /> <br /> σT<br /> <br /> (2)<br /> <br /> trong đó: σr, σϕ - ứng suất hướng tâm và ứng suất tiếp tuyến tương ứng;<br /> σT - ứng suất chảy của vật liệu.<br /> Đặt biểu thức (2) vào (1) và lấy tích phân phương trình (1) ta có:<br /> − 2σ T<br /> σr =<br /> ln r + c<br /> (3)<br /> 3<br /> Khi ống bắt đầu biến dạng dẻo, hằng số tích phân được xác định bởi điều kiện sau:<br /> 2σ T<br /> σr (r = R2) = 0; c =<br /> (4)<br /> ln R 2<br /> 3<br /> − 2σ T<br /> r<br /> Đặt biểu thức (4) vào (3) ta có:<br /> (5)<br /> ln<br /> σ r =<br /> R<br /> 3<br /> Giới hạn áp suất p1 đủ để xy lanh biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải trọng tĩnh được xác định<br /> theo biểu thức:<br /> − 2σ T<br /> R<br /> p 1 = + σ r (r = R 1 ) =<br /> ln 1<br /> (6)<br /> R2<br /> 3<br /> ở đây: dấu “−” biểu thị áp suất nén.<br /> Trong trường hợp ống thép biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động xung cao tốc khi nổ<br /> thì σT không thể là ứng suất chảy tĩnh của vật liệu, mà khi đó ta phải lấy giới hạn chảy động σtd:<br /> − 2<br /> R<br /> p td =<br /> σ td ln 1<br /> (7)<br /> R2<br /> 3<br /> Sau đ ây ta hãy xét tr ườ ng h ợ p ố ng b ị tóp co l ạ i theo h ướ ng kính (v ậ t li ệ u thành<br /> ố ng chuyể n độ ng h ướ ng vào tâm) d ướ i tác d ụ ng c ủ a áp l ự c xung n ổ . Nhà khoa h ọ c<br /> ng ườ i Nga nghiên c ứ u trong l ĩ nh v ự c hàn n ổ Đeribas A. A. gi ả thi ế t coi hình tr ụ b ị bi ế n<br /> d ạ ng r ấ t nhanh nh ư m ộ t ch ấ t l ỏ ng lý t ưở ng. Khi đ ó, n ế u g ọ i r o là kho ả ng cách c ủ a m ộ t<br /> ph ầ n t ử nh ỏ c ủ a ố ng đố i v ớ i tâm tr ướ c lúc bi ế n d ạ ng: r(r o , t) là kho ả ng cách c ủ a chính<br /> đ i ể m đ ó ở th ờ i đ i ể m t (sau khi n ổ ) trong quá trình d ị ch chuyể n. Ph ươ ng trình liên t ụ c<br /> c ủ a ph ầ n t ử trên thành ố ng có d ạ ng:<br /> <br /> ∂ r ( r0 , t )<br /> r0<br /> =<br /> ∂ r0<br /> r ( r0 , t )<br /> 46<br /> <br /> (8)<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> Phương trình chuyển động của phần tử có dạng:<br /> <br /> ∂ 2 r ( r0 , t ) r ( r0 , t )<br /> 1 ∂ P ( r0 , t )<br /> = −<br /> 2<br /> ∂t<br /> r0<br /> ρ1<br /> ∂ r0<br /> <br /> (9)<br /> <br /> trong đó: p - áp suất của chất lỏng; ρ1 - khối lượng riêng của vật liệu được coi như chất lỏng.<br /> <br /> r=<br /> <br /> Lấy tích phân phương trình (8) theo r 0 :<br /> <br /> r0 + C ( t )<br /> 2<br /> <br /> (10)<br /> <br /> ở đây: C (t) - hằng số tích phân phụ thuộc vào biến số (t).<br /> Lấy đạo hàm biểu thức (10) theo (t) và đặt vào phương trình (9) ta có:<br /> <br /> C " R 210 + c c '2  1<br /> 1<br /> 1 <br /> 1<br /> [ p(R1 ) − p(R2 )]<br /> ln 2<br /> +  2<br /> − 2<br /> − 2<br /> =<br /> −<br /> 4 R 20 + c 8  R 10 + c R 10 + c R 20 + c <br /> ρ1<br /> <br /> (11)<br /> <br /> trong đó: p (R2) = 0; p(R1) = t; R12 = R210 + C ; R22 = R220 + C<br /> 2<br /> <br /> C' =<br /> <br /> Ta có:<br /> <br /> 2<br /> d ( R1 )<br /> d 2 ( R1 )<br /> ; C" =<br /> dc<br /> dt 2<br /> <br /> (12)<br /> <br /> Thay C' và C" vào phương trình (11) ta nhận được:<br /> <br /> [<br /> <br /> ]<br /> <br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> <br /> R1 (t )  d 2  R10 − R20<br /> R1<br /> 1 d2 2<br /> 1<br /> R<br /> t<br /> R<br /> (<br /> t<br /> )<br /> p<br /> t<br /> K<br /> p<br /> t<br /> (<br /> )<br /> ln<br /> −<br /> =<br /> (<br /> )<br /> −<br /> ln<br /> −<br /> (<br /> )<br /> <br /> <br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br />  8R 2 (t ) R 2 (t ) ρ<br /> 4 dt 2<br /> R2 (t )  dt<br /> R2<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> K = σ r −σϕ<br /> <br /> (13)<br /> <br /> Vì nếu coi vật liệu trong trường hợp biến dạng ở tốc độ và áp suất cao khi nổ như một<br /> chất lỏng lý tưởng không nén được, nên ta có thể viết:<br /> <br /> R1 − R2 = R10 − R20 ; R2 = R1 + R20 − R10<br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> Áp lực sinh ra do quá trình nổ tác dụng lên ống hình trụ được xác định như sau:<br /> 16 ρ 0  H + R 10 − R 1 ( t )<br /> dR 1 ( t ) <br /> p (t ) =<br /> +<br /> <br /> <br /> 27 D <br /> t + H /D<br /> dt<br /> <br /> 3<br /> <br /> (14)<br /> <br /> trong đó: ρo, D - khối lượng riêng và tốc độ nổ của thuốc nổ tương ứng;<br /> H - chiều dày lớp thuốc nổ.<br /> Trong thực tế ống kim loại bằng thép bị biến dạng không hoàn toàn như một chất lỏng lý<br /> tưởng. Do đó, trong quá trình dịch chuyển vào phía trong, tại các phần tử của ống thép sẽ phát<br /> sinh phản lực chống lại hiện tượng biến dạng dẻo (trở kháng biến dạng). Vì thế, ống thép chỉ<br /> duy trì sự biến dạng của nó sau một thời gian nhất định và đạt một giá trị nào đó. Vì ống kim<br /> loại bị biến dạng với tốc độ rất nhanh dưới tác dụng của áp suất nổ cực cao, nên trong trường<br /> hợp này ta phải lấy K = K0 là ứng suất tiếp động. Giải phương trình vi phân (13) với hai điều<br /> dR 2 ( 0)<br /> = 0 và chúng ta sẽ xác định được quy luật chuyển động của ống kim loại<br /> kiện: R2 = 0 ;<br /> dt<br /> dưới tác dụng của áp lực xung nổ.<br /> <br /> 47<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> • Kết quả tính toán và thử nghiệm ứng dụng phục hồi xy lanh thuỷ lực:<br /> Dưới đây chúng tôi giới thiệu kết quả tính toán áp dụng cho bài toán như sau: Vật liệu ống<br /> biến dạng dẻo dưới tác dụng của năng lượng nổ là ống xy lanh thuỷ lực bằng thép tương đương<br /> mác thép 45 trong bộ phận giảm xóc của xe ô tô vạn tải mỏ KOMASHU –320 (Nhật Bản).Vật<br /> liệu này có cơ tính như sau: mật độ ρ1 = 7,85g/cm3; trở kháng chống biến dạng Kd = 610,7<br /> MPa; ống có kích thước ban đầu R10 = 56 mm; R20 = 50 mm (trước khi biến dạng tóp). Thuốc<br /> nổ được dùng là loại Amônít 6ЖB của Nga có mật độ rải bằng ρ0 = 0,9 g/cm3 và chiều dầy lớp<br /> thuốc nổ tối thiểu bằng H = 9 mm. Trên hình 3 thể hiện sơ đồ khối để lập chương trình máy tính<br /> cho việc tính toán bài toán nổ tóp ống xy lanh thuỷ lực nói trên. Kết quả tính toán được cho<br /> trong bảng 1.<br /> Trong trường hợp chiều dày lớp thuốc nổ không lớn, tốc độ nổ được tính toán theo biểu<br /> 2 , 44 <br /> <br /> D = 4 ,5  1 −<br /> thức sau [2]:<br /> (15)<br /> <br /> H 0 , 79 <br /> <br /> trong đó: D – tốc độ nổ của thuốc nổ, được biểu thị bằng mm/µs; H – chiều dày lớp thuốc nổ,<br /> được tính theo mm.<br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> R1<br /> <br /> R2<br /> <br /> P<br /> <br /> 4<br /> 5<br /> <br /> P<br /> <br /> 6<br /> 7<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ phân bố áp suất tác dụng<br /> lên mặt trụ ống thép khi biến dạng dẻo<br /> bằng năng lượng nổ.<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ nổ tóp ống kim loại:<br /> 1) - Kíp nổ; 2) - Chóp nón bằng gỗ; 3) – Ống kim loại<br /> cần tóp; 4) - Lõi thép cố định kích thước đường kính<br /> trong; 5) - Thuốc nổ; 6) - Ống bọc thuốc nổ bằng bìa<br /> giấy; 7) -Đế nổ.<br /> <br /> Bảng 1. Kết quả tính toán nổ tóp ống kim loại bằng thép<br /> r , µs<br /> 0<br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> ....<br /> <br /> R2, mm<br /> 50<br /> 49,99<br /> 49,96<br /> 49,91<br /> .....<br /> <br /> dR2/dt, mm/µs<br /> 0<br /> 0,019<br /> 0,037<br /> 0,056<br /> .....<br /> <br /> r , µs<br /> 8<br /> 9<br /> 10<br /> 20<br /> 30<br /> <br /> R2, mm<br /> 49,40<br /> 49,28<br /> 49,16<br /> 48,12<br /> 47,39<br /> <br /> dR2/dt, mm/µs<br /> 0,126<br /> 0,123<br /> 0,120<br /> 0,089<br /> 0,056<br /> <br /> Kết quả tính toán trên đây cho thấy: dưới tác dụng của áp lực xung nổ các phần tử của<br /> ống dịch chuyển tăng dần đến một thời điểm nào đó và tốc độ dịch chuyển đạt giá trị cực đại.<br /> Tiếp sau đó, tốc độ dịch chuyển giảm dần và tiến tới bằng không và khi đó ống thép sẽ nhận giá<br /> trị thực sau khi bị biến dạng bằng năng lượng nổ. Với số liệu tính toán trong bảng 1 trên đây có<br /> 48<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> thể chỉ định các giá trị biên của miền khảo sát khi lập quy hoạch thực nghiệm nổ tóp các loại<br /> ống kim loại từ các vật liệu khác nhau để thực hiện thí nghiệm thăm dò công nghệ. Sau khi xác<br /> định được giá trị thực nghiệm ở các chế độ đó, cần thực hiện các thí nghiệm hiệu chỉnh để tìm<br /> các thông số công nghệ nổ tối ưu đảm bảo kích thước cuối cùng của ống thép sau khi nổ tóp.<br /> Nhập số liệu vào máy<br /> <br /> Tính cực trị Kd, VH<br /> Chu kỳ biến đổi R2<br /> Chu kỳ biến đổi lớn H2<br /> Thay đổi kích thước ống khác nhau<br /> Tính toán các thông số của phương trình (13)<br /> Chu kỳ biến đổi nhỏ dR2<br /> <br /> Để giải PT vi phân<br /> <br /> Giải phương trình vi phân (13)<br /> Xác định dR2/dt; ∆R2<br /> <br /> Không<br /> <br /> NÕu<br /> dR/dt<br /> 2/dt<br /> NÕu dR<br /> 2<br /> cùc ®¹i<br /> Nếu dR2/dt -VH<br /> <br /> Không<br /> In kết quả R2, H, V, ∆R<br /> Kết thúc chu kỳ R2<br /> <br /> Kết thúc giải<br /> Hình 3. Sơ đồ khối lập trình tính toán bài toán nổ tóp ống kim loại.<br /> <br /> 49<br /> <br />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2