Nguyễn Thị Quốc Dung và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
118(04): 29 - 36<br />
<br />
THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KIỂM TRA ĐẶC TÍNH MA SÁT<br />
VÀ ĐỘ CHỊU MÀI MÒN CỦA LỚP BỀ MẶT<br />
Nguyễn Thị Quốc Dung*, Lý Việt Anh, Lê Văn Nhất, Nguyễn Đình An<br />
Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Việc kiểm tra đánh giá chất lượng và tính chất các lớp bề mặt đóng vai trò quan trọng, đặc biệt khi<br />
công nghệ phủ tăng bền bề mặt ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Bài báo này trình bày về một<br />
nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra đặc tính ma sát và mòn lớp bề mặt Pin-on-dics (POD). Loại<br />
thiết bị chế tạo ra có cấu tạo và nguyên lý vận hành đơn giản, đáp ứng được yêu cầu đánh giá khả<br />
năng chống mòn và đặc tính ma sát của các bề mặt vật liệu, đặc biệt máy rất thích hợp trong việc<br />
kiểm tra các lớp vật liệu bề mặt rất mỏng như các lớp phủ với chiều dày chỉ vài nanomet.<br />
Từ khóa: POD, độ mòn, khả năng chịu mòn, hệ số ma sát, lớp mạ.<br />
<br />
GIỚI THIỆU*<br />
Các bề mặt với yêu cầu có độ bền cao và khả<br />
năng chống mòn tốt ngày càng được sử dụng<br />
nhiều trong kỹ thuật. Đặc biệt với công nghệ<br />
phủ như phủ bay hơi; thấm Ni-tơ; mạ đơn<br />
chất; mạ tổ hợp và mạ composite, đã tạo ra<br />
một bước tiến vượt bậc về việc tăng tuổi thọ<br />
và độ bền của các chi tiết làm việc trong các<br />
điều kiện chịu mài mòn như các loại dụng cụ<br />
cắt kim loại, các chi tiết quan trọng như xilanh, pit-tông sử dụng trong động cơ máy<br />
bay, xe đua [1]…<br />
Việc kiểm tra đánh giá tính chất ma sát và khả<br />
năng chống mòn của các lớp bề mặt đóng vài<br />
trò đặc biệt quan trọng, nhất là đối với các lớp<br />
phủ có chiều dày chỉ vài nanomet sẽ góp phần<br />
cải tiến công nghệ bề mặt cũng như tạo ra các<br />
chi tiết có khả năng đáp ứng các yêu cầu cao<br />
về độ chịu mài mòn, tăng tuổi thọ chi tiết trong<br />
những điều kiện làm việc khắc nghiệt [1].<br />
Trước kia các thiết bị kiểm tra tính chất ma sát<br />
và độ chịu mài mòn của bề mặt vật liệu tiếp<br />
xúc thường làm việc theo nguyên tắc kiểm tra<br />
từng thông số đơn lẻ. Tức là trên một thiết bị<br />
chỉ kiểm tra được một thông số ví dụ như độ<br />
mòn hoặc là hệ số ma sát,… Có thể liệt kê như<br />
các máy giúp tính toán hệ số ma sát trên<br />
nguyên lý mặt phẳng nghiêng hay nguyên lý<br />
lực kéo chớm trượt trên mặt phẳng ngang [7]<br />
hay các máy đo độ mòn đơn giản dựa trên<br />
*<br />
<br />
Tel: 0915308818; Email: quocdungktcn@yahoo.com.vn<br />
<br />
nguyên lý đo độ dày mất mát của vật liệu [8].<br />
Dẫn tới số lượng thí nghiệm phải làm rất<br />
nhiều, cần nhiều loại thiết bị thí nghiệm khác<br />
nhau, số mẫu cần sử dụng cũng rất lớn, và<br />
quan trọng nhất là khó có thể đánh giá được<br />
mức độ ảnh hưởng của các thông số đến nhau.<br />
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các<br />
thiết bị được sử dụng để xác định hệ số ma sát<br />
và khả năng chịu mòn của vật liệu hiện nay đã<br />
có những bước cải tiến rõ rệt. Chỉ bằng một<br />
lần chạy máy, các thông số từ hệ số ma sát,<br />
lượng mòn, khả năng chịu mòn, đặc biệt ảnh<br />
hưởng của các nhân tố đến các thông số này<br />
như độ ẩm môi trường, vận tốc ma sát giữa<br />
hai bề mặt, nhiệt độ bề mặt… hoàn toàn có<br />
thể xác định được trên các phần mềm của<br />
máy [6,7]. Tuy nhiên do phải tích hợp các<br />
thiết bị kèm theo để tính toán và xác định giá<br />
trị các nhân tố nên giá thành của các máy này<br />
tăng lên rất cao; tham khảo của một số hãng<br />
chuyên sản xuất máy như: máy CH-2034<br />
Peseux của hãng Miktech (Switzerland)<br />
(8000€); máy Falex ISC-200PC của hãng<br />
Falex (Mỹ) hawei (12.000€) [4].<br />
Qua tham khảo các tài liệu trên thế giới,<br />
nhóm tác giả nhận thấy các máy kiểm tra về<br />
các thông số ma sát nêu trên phần lớn hoạt<br />
động dựa trên nguyên lý tính toán ma sát tiếp<br />
xúc giữa một đĩa quay với bề mặt các chi tiết<br />
khác, chúng được gọi chung là máy Pin-ondisc machines (máy chốt quay trên đĩa) gọi<br />
tắt là máy POD [5,6,7,8].<br />
29<br />
<br />
Nguyễn Thị Quốc Dung và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Từ điều kiện sản xuất sẵn có, một loại thiết bị<br />
kiểm tra đánh giá tính chất ma sát và khả<br />
năng chống mòn của các lớp bề mặt, POD có<br />
giá thành thấp kết cấu đơn giản phù hợp với<br />
kiện sản xuất trong nước đã được nghiên cứu<br />
và chế tạo. Các kết quả thử nghiệm cho thấy<br />
máy POD thiết kế đáp ứng được yêu cầu cần<br />
thiết như giá thành rẻ, hoạt động tin cậy với<br />
nguyên lý vận hành máy đơn giản, dễ dàng<br />
thay đổi các thông số đầu vào để kiểm tra tính<br />
chất bề mặt trong những điều kiện khác nhau,<br />
đã giúp cho các kết quả đánh giá được đầy đủ<br />
và chính xác hơn.<br />
THIẾT KẾ MÁY PIN-ON-DISC (POD)<br />
Sơ đồ nguyên lý<br />
650<br />
<br />
A<br />
<br />
Ptd<br />
<br />
200<br />
<br />
B<br />
<br />
550<br />
<br />
220<br />
<br />
5<br />
4<br />
2<br />
<br />
Ptt<br />
<br />
1<br />
A<br />
<br />
118(04): 29 - 36<br />
<br />
sát được tạo ra nhờ tải trọng đặt lên tay đòn<br />
(5). Trên tay đòn (5) có gia công một rãnh<br />
trượt để chốt (1) và bộ phận mang chốt (4) có<br />
thể dịch chuyển dọc theo tay đòn trong<br />
khoảng 15mm.<br />
Để xác định lượng mòn của cặp vật liệu chốt<br />
và đĩa sẽ được cân trước khi lắp vào máy. Xác<br />
định tải trọng treo trên tay đòn sau đó tính<br />
toán ra phản lực liên kết trên hai bề mặt tiếp<br />
xúc. Sau khoảng chu kỳ xác định (theo thời<br />
gian hoặc số vòng quay của máy) chốt và đĩa<br />
được tháo ra cân lại. Tiến hành thí nghiệm<br />
sau nhiều lần sẽ xác định được biểu đồ lượng<br />
mòn của vật liệu. Quá trình này được trình<br />
bày rõ rằng ở phần tiến hành thí nghiệm.<br />
Tính chất ma sát giữa hai bề mặt mà đặc<br />
trưng bởi hệ số ma sát của cặp vật liệu sẽ<br />
được xác định thông qua lực ma sát nhờ<br />
Sensor đo lực gắn trên khớp nối giữa động cơ<br />
và trục mang đĩa. Sensor được sử dụng là loại<br />
Sensor điện áp nối trực tiếp với Vôn-kế. Từ giá<br />
trị điện áp người tiến hành thí nghiệm sẽ tính<br />
toán ra lực ma sát mà chốt tác dụng lên đĩa. Tỉ<br />
số giữa lực ma sát và lực tác dụng của chốt lên<br />
đĩa sẽ biểu thị hệ số ma sát của hai bề mặt.<br />
<br />
3<br />
<br />
B<br />
<br />
700<br />
<br />
(1: chốt; 2:đĩa; 3:động cơ; 4:bộ phận mang chốt;<br />
5:tay đòn)<br />
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý máy POD<br />
<br />
Máy POD làm việc trên nguyên lý tạo ma sát<br />
trượt giữa bề mặt chốt và đĩa như hình 1. Bộ<br />
phận chủ yếu là một đĩa quay (disc) (2) được<br />
gắn với động cơ điện (3), đĩa được gắn chặt<br />
trên động cơ nhờ 1 bu-lông có ren trái để khi<br />
động cơ quay đĩa không bị văng ra ngoài, trên<br />
đĩa là chốt (pin) (1). Chốt (1) được kẹp chặt<br />
trên bộ phận mang chốt (4) một vít. Chốt và<br />
đĩa có thể thay thế một cách dễ dàng để có thể<br />
tạo ra các bề mặt ma sát của các loại vật liệu<br />
khác nhau. Áp lực tác dụng trên bề mặt ma<br />
30<br />
<br />
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý đo Fms<br />
<br />
Lực ma sát: FCoF = Fms = FT<br />
Lực FT được xác định thông qua cảm biến<br />
(sensor) điện áp.<br />
N: là tải trọng tác dụng của chốt lên đĩa. Sau<br />
khi xác định được N thông qua vật nặng treo<br />
trên tay đòn.<br />
F<br />
Hệ số ma sát của cặp vật liệu µ ⇒ µ = ms<br />
N<br />
Mô men xoắn trên trục động cơ: T = FT . r<br />
Công suất trên trục động cơ: P = T.ω<br />
<br />
Nguyễn Thị Quốc Dung và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Xác định trọng lượng đối trọng, tải trọng<br />
đặt lên tay đòn<br />
Xác định trọng lượng đối trọng<br />
Tay đòn luôn nằm ở vị trí cân bằng khi không<br />
treo tải trọng. Tuy nhiên bản thân tay đòn(5)<br />
và của bộ phận mang chốt (số (1) và (4) trên<br />
sơ đồ nguyên lý hình 1) đều có trọng lượng<br />
nên chúng sẽ tác dụng áp lực phụ lên điểm<br />
tiếp xúc giữa đĩa và chốt, gây sai lệch trong<br />
quá trình tính toán. Để khử ảnh hưởng của các<br />
khối lượng này một đối trọng sẽ được treo<br />
vào đầu bên trái của chốt quay. Dựa vào kích<br />
thước, vật liệu của tay đòn và bộ phận mang<br />
chốt có thể xác định được trọng lượng đối<br />
trọng cần đặt vào tay đòn ký hiệu là Pdt theo<br />
sơ đồ chịu lực của tay đòn dưới đây.<br />
x<br />
<br />
Pdt<br />
A<br />
c<br />
<br />
q.c (N)<br />
<br />
YB<br />
B<br />
<br />
XB = 0<br />
<br />
D<br />
<br />
C<br />
b<br />
<br />
a<br />
<br />
q.(a+b) (N)<br />
Q(N)<br />
N = 0(N)<br />
<br />
Hình 3. Sơ đồ chịu lực của tay đòn<br />
<br />
Chọn vật liệu chế tạo tay đòn được làm bằng<br />
thép hộp có kích thước mặt cắt ngang bxh có<br />
độ dày e, ứng suất uốn cho phép [σu]. Dựa<br />
vào vật liệu và kích thước của tay đòn, và giả<br />
thiết là trọng lượng của tay đòn phân bố đều,<br />
ta tính được trọng lượng của tay đòn phần<br />
phía bên trái và bên phải khớp quay B lần<br />
lượt là q.c(N) và q.(a+b)(N). Chiều dài tay<br />
đòn phía bên trái khớp B là c mm, và bên phải<br />
là (a+b) mm. q là tải trọng phân bố có đơn vị<br />
N/mm, khoảng cách từ chốt quay B đến bộ<br />
phận mang chốt là a; hình vẽ 3.<br />
Bộ phận mang chốt (4) được chế tạo bằng<br />
thép CT3 chốt (1) trong thí nghiệm là thép<br />
hợp kim 09CrSi, có trọng lượng là Q(N) tác<br />
dụng theo phương thẳng đứng dọc theo<br />
phương của chốt. Như vậy, giả sử trong thời<br />
điểm hiện tại, bộ phận mang chốt đang nằm<br />
tại vị trí cách khớp quay B một đoạn là a thì<br />
đối trọng cần đặt lên đầu trái của tay đòn cách<br />
khớp B một đoạn x sẽ có trọng lượng Pđt được<br />
xác định theo công thức sau:<br />
<br />
Q ( N ).a + q.<br />
<br />
Pdt =<br />
<br />
118(04): 29 - 36<br />
<br />
(a + b) 2<br />
c2<br />
( N ) − q. ( N )<br />
2<br />
2<br />
(1)<br />
x<br />
<br />
Như vậy khi xác định được vị trí của chốt a<br />
và vị trí treo đối trọng x ta sẽ xác định được<br />
trọng lượng đối trọng.<br />
Xác định trọng lượng tải trọng<br />
Ptt<br />
<br />
YB<br />
A<br />
<br />
Ptd<br />
C<br />
<br />
B<br />
XB = 0<br />
<br />
c<br />
<br />
a<br />
<br />
D<br />
b<br />
<br />
Hình 4. Sơ đồ tính lực tác dụng lên đĩa<br />
<br />
Sau khi treo đối trọng lực tác dụng từ chốt lên<br />
đĩa ≈ 0N. Tải trọng tác dụng lên tay đòn được<br />
xác định dựa trên yêu cầu áp lực tác dụng bề<br />
mặt ma sát. Với sơ đồ chịu lực của tay đòn<br />
như trên hình 3, với áp lực trên bề mặt ma sát<br />
là Ptd thì tải trọng cần tác dụng lên tay đòn Ptt<br />
được xác định theo công thức:<br />
P .a<br />
Ptt = td (2)<br />
a+b<br />
Kiểm tra bền cho tay đòn<br />
Trong thực tế chế tạo nhóm thiết kế chọn vật<br />
liệu chế tạo tay đòn là thép hộp 25x50 có độ<br />
dày 4,83 mm ứng suất cho phép của thép hộp<br />
[σu] = 30N/mm2.<br />
Trong điều kiện tính toán bền, giả sử tải trọng<br />
và đối trọng được treo tại hai điểm ngoài cùng<br />
của tay đòn. Kích thước a = 200 mm, b = 350<br />
mm, c = 100mm. Qua công thức (1) và (2) ta<br />
xác định được Pdt = 18N và Ptt = 3,65N.<br />
Pdt = 18N<br />
<br />
Ptt =3,65N<br />
<br />
YB<br />
Ptd = 10N<br />
<br />
B<br />
<br />
A<br />
<br />
C<br />
<br />
XB = 0<br />
<br />
100<br />
<br />
200<br />
<br />
D<br />
350<br />
<br />
275<br />
50<br />
<br />
0,9 N.m<br />
<br />
0,55 N<br />
<br />
1,23 N.m<br />
<br />
3 N1,01 N.m<br />
<br />
1,08 N.m<br />
<br />
Hình 5. Sơ đồ tính bền cho tay đòn<br />
<br />
Với lực tác dụng từ chốt lên đĩa Ptd = 10N<br />
Mô-men lớn nhất tác dụng lên tay đòn là 1,23<br />
31<br />
<br />
Nguyễn Thị Quốc Dung và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
N.m. Như vậy với ứng suất uốn cho phép của<br />
tay đòn [σu] = 30N/mm2 Mômen uốn lớn nhất<br />
tay đòn xác định theo công thức:<br />
<br />
M x = [σ ] .Wx (3)<br />
Jx =<br />
<br />
h.b3 − h1.b13<br />
(4)<br />
12<br />
<br />
118(04): 29 - 36<br />
<br />
Dạng sản xuất của máy là dạng sản xuất loạt<br />
nhỏ, đơn chiếc, gia công theo phương pháp<br />
tập trung nguyên công. Ví dụng chi tiết chốt<br />
số (1) gồm 5 nguyên công, chi tiết đĩa số (2)<br />
có 6 nguyên công.<br />
<br />
y<br />
<br />
x<br />
<br />
h<br />
<br />
h1<br />
<br />
b<br />
<br />
b1<br />
<br />
Hình 7. Máy POD được chế tạo<br />
<br />
Chiều dày mặt cắt ngang tay đòn là 4,83mm<br />
do đó Jx tính theo công thức (4) sẽ là:<br />
<br />
Động cơ có tốc độ 1450 v/p, công suất 200W<br />
đảm bảo tạo được tốc độ quay và mô men<br />
xoắn trên đĩa thỏa mãn áp lực lớn nhất 96N.<br />
Tấm lực kế (Sensor) 1050C dán trên trục<br />
động cơ sẽ chỉ ra giá trị điên áp qua đó ta tính<br />
được giá trị của lực ma sát giữa chốt và đĩa.<br />
Lượng mòn của vật liệu được xác định dựa<br />
vào lượng vật liệu mất mát sau mỗi chu kỳ.<br />
Lượng vật liệu mất mát được xác định bằng<br />
cách cân các mẫu sau các chu kỳ này.<br />
<br />
Ptt .550<br />
= 96( N )(9)<br />
200<br />
Do vậy tải trọng tối đa của tải trọng treo trên<br />
thanh là 36N và áp lực tối đa của chốt lên đĩa<br />
không được vượt quá 96N. Trong trường hợp<br />
thí nghiệm với Ptt = 3,6N tạo ra Ptd ≈ 10N tay<br />
đòn hoàn toàn đủ bền.<br />
Ptd =<br />
<br />
CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÁY POD<br />
Chế tạo máy POD<br />
Dựa trên sơ đồ nguyên lý trình bày ở trên,<br />
máy POD được chế tạo thực tế như hình 7.<br />
Với 16 chi tiết, với các phương pháp gia công<br />
tiện, phay, cắt, hàn, sau máy được ghép nối,<br />
lắp ráp và trang trí.<br />
32<br />
<br />
Ø6<br />
<br />
b.(h)3 − (b − 2e).(h − 2e)3<br />
( mm 4 ) (5)<br />
12<br />
J<br />
Wx = x (mm3 ) (6)<br />
b/2<br />
Mô-men lớn nhất trên tay đòn trong trường<br />
hợp này là:<br />
M x = [σ u ] .Wx = 30.4246 = 12738( N .mm) (7)<br />
Tải trọng tối đa trên tay đòn là:<br />
12738 − 3.75<br />
Ptt =<br />
≈ 36( N ) (8)<br />
350<br />
Lực tác dụng tối đa trên đĩa là:<br />
Jx =<br />
<br />
Ø17,5±0,5<br />
<br />
Hình 6. Sơ đồ mặt cắt ngang của tay đòn<br />
<br />
60<br />
<br />
10<br />
<br />
20±0,1<br />
<br />
Ø22+0.5<br />
<br />
Ø80±0.5<br />
<br />
Hình 8. Mẫu mạ 09CrSi<br />
Sau 2 giờ đồng hồ chiều dày lớp mạ Al2O3 –Ni là<br />
≈ 80 µm.<br />
<br />
Nguyễn Thị Quốc Dung và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Thử nghiệm máy POD đã chế tạo<br />
Để thử nghiệm máy POD đã chế tạo, nhóm<br />
tác thực hiện thực nghiệm và so sánh cụ thể<br />
trên các mẫu được mạ và chưa được mạ<br />
composite. Mẫu mạ được chọn có vật liệu<br />
hợp kim 09CrSi được chế tạo với kích thước<br />
như đầu pin và đĩa mài. Với một số mẫu được<br />
mạ composite Al2O3 – Ni và một số mẫu<br />
không được mạ để so sánh khả năng chịu mòn<br />
của chúng.<br />
Tiến trình thực nghiệm được thực hiện tại<br />
phòng thí nghiệm đề tài cấp Nhà nước của<br />
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp.<br />
Thí nghiệm đo độ mòn và hệ số ma sát được<br />
tiến hành lần lượt cho các loại vật liệu bề mặt<br />
khác nhau. Kết quả thí nghiệm cho các mẫu<br />
thử với bề mặt vật liệu thép hợp kim 09CrSi,<br />
bề mặt mẫu được làm sạch bằng phương pháp<br />
siêu âm, và được mạ Al2O3–Ni sau 2 giờ và 4<br />
mẫu không được mạ. Thực nghiệm được thực<br />
hiện với 2 mức độ áp lực là 10N và 20N tác<br />
dụng từ chốt lên đĩa, tương đương với tải<br />
trọng được treo vào đầu tay đòn là 3,65N và<br />
7,3N. Kết quả thể hiện trên bảng 2 và sơ đồ<br />
hình 9.<br />
Quá trình đánh giá lượng mòn được thực<br />
nghiệm trên động cơ điện quay với tốc độ<br />
1450 v/p; cứ sau 34 phút (tức là tương đương<br />
với đĩa quay được 50.000 vòng) mẫu được<br />
đem cân một lần trên cân điện tử có vạch chia<br />
1/10 gram sau đó tính ra lượng vật liệu của<br />
mẫu mất đi theo đơn vị mm3. Tải trọng cố<br />
định được treo trên tay đòn là 30 N. Để giảm<br />
ảnh hưởng của rung động và nhiệt độ, máy<br />
POD được gắn chặt trên nền nhà bằng vít,<br />
thời gian nghỉ tối thiểu sau mỗi lần làm thực<br />
nghiệm là 15 phút. Sau tính toán quan hệ giữa<br />
lượng mòn của mẫu với thời gian tiếp xúc<br />
được vẽ lại như đồ thị hình 10.<br />
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
Các kết quả về hệ số ma sát và lượng mòn<br />
trên các mẫu thử được cho trong bảng 1 và<br />
bảng 2 trong phần phụ lục và trên đồ thị hình<br />
9 và 10.<br />
<br />
118(04): 29 - 36<br />
<br />
Có thể thấy qua biểu đồ hệ số ma sát hình 9<br />
mẫu được mạ có hệ số ma sát nhỏ hơn mẫu<br />
chưa được mạ khoảng 30%. Sau khoảng 5<br />
chu kỳ kiểm tra (mỗi chu kỳ ≈34 phút), do<br />
mẫu kiểm tra được mài nhẵn nên hệ số ma sát<br />
đạt tới giá trị ổn định. Mẫu mạ là 0,01 và mẫu<br />
chưa mạ là khoảng 0,027.<br />
Biểu đồ lượng mòn thu được rất tương đồng<br />
với biểu đồ lượng mòn của các chi tiết máy<br />
theo lý thuyết. Có một chú ý là với mẫu mạ số<br />
4 có thể nhận thấy khi đạt tới 1 giá trị lớn của<br />
số vòng quay tức là lúc này giá trị lượng mòn<br />
tăng rất chậm, đây là điều đáng quan tâm để<br />
phát triển khả năng chống mòn cho các vật<br />
liệu. Các nhà kỹ thuật có thể kiểm tra cơ tính<br />
của bề mặt chốt và đĩa lúc này, sau đó phân<br />
tích để đưa ra ý tưởng chế tạo các bề mặt<br />
tương tự nhằm tăng khả năng chịu mòn cho<br />
sản phẩm.<br />
<br />
Hình 9. Quan hệ S-µ<br />
<br />
Hình 10. Quan hệ S-u<br />
<br />
33<br />
<br />