Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy

Loading Preview

Sorry, preview is currently unavailable. You can download the paper by clicking the button above.

Lấy từ “//vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Độ_bền_mỏi&oldid=65410884”

Trong kết cấu chi tiết máy thì hình dạng kết cấu của chi tiết ảnh hưởng trực tiếp rất lớn đến độ bền của chi tiết cũng như kết cấu máy. Với các chi tiết khi chịu một lực tác động giống nhau nhưng hình dạng khác nhau thì ứng suất của mỗi chi tiết cũng khác nhau rõ rệt. Chính vì vậy mà không phải tự nhiên khi thiết kế, chế tạo người ta lại vát mép hay vo tròn góc với bán kính khác nhau, hay với chi tiết dạng trục có nên chế tạo rãnh then hay không, và nếu làm rãnh then thì nên thiết kế ở vị trí nào là hợp lý nhất?

Đó là những vấn đề, những câu hỏi đặt ra cho nhà thiết kế và đòi hỏi yêu cầu nhà thiết kế phải tính toán sao cho hợp lý nhất và đảm bảo độ bền, và tuổi thọ làm việc

Để chứng minh vể ảnh hưởng của hình dáng kết cấu đến đồ bền mỏi thì mình xin đưa ra một ví dụ cụ thể, đó là xét một trục trụ tròn, với 1 trục trụ có rãnh then để lắp bánh răng. Trong quá trình làm việc thì 2 trục chịu tác dụng của 1 lực F nào đó, thì tất nhiên chúng ta sẽ thấy rõ trục mà có rãnh then thì ứng suất mà vùng đó chịu là lớn hơn rât nhiều. và tại vùng có rãnh then là vùng có độ bền mỏi thấp nhất trên trục, và rất dễ xảy ra hiện tượng gãy do mỏi. Xem Hình ví dụ minh họa sau

Việc thay đổi kết cấu trên trục theo hướng bất lợi là không hề mong muốn tuy nhiên rất nhiều trường hợp thì vẫn phải làm kết cấu như vậy, ví dụ lắp bộ truyền động bánh răng mà muốn chống xoay thì đương nhiên là phải chế tạo rãnh then trên trục. Vậy thì sẽ phải có các phương pháp làm hạn chế ảnh hưởng của ứng suất tập trung, các ảnh hưởng có hại tác dụng lên chi tiết. Đó chính là các giải pháp nâng cao độ bền mỏi của chi tiết.

* Các giải pháp nâng cao độ bền mỏi của chi tiết

+ Bố trí những nơi tập trung ứng suất ở xa vùng chịu ứng suất lớn nhất

+ Thiết kế các rãnh giảm tải

+ Tại những chỗ chuyển tiếp phải sử dụng vát mép hay góc lượn

+ Sử dụng dao phai đĩa thay cho dao phai ngón[ nếu điều kiện cho phép về yếu tố kỹ thuật]

+ Với các mối ghép có độ dôi thì phải vát mép

Sau đây mình xin đưa một số ví dụ cụ thể mà ngoài thực tế đã làm và áp dụng rất rất nhiều.

Ví dụ 1: Chế tạo góc lượn tại các phần giao của trục bậc:

Ví dụ 2: Rãnh giảm tải

Ví dụ 3: Khoét lỗ trên đoạn trục có đường kính lớn hơn:

Trên đây là các nhân tố hình dáng kết cấu ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi của chi tiết và một số giải pháp nâng cao độ bền mỏi của chi tiết . Vậy nên hạy thật sự thật trọng trong thiết kếgia công chế tạo các chi tiết  máy hay kết cấu máy để nâng cao độ bền mỏi cũng như tuổi thọ của chi tiết.

Ngoài ra, mọi ý kiến đóng góp thông tin chi tiết xin liên hệ dưới đây. Xin cảm ơn !

Chất lượng bề mặt ảnh hưởng đáng kể đến khả năng làm việc của chi tiết máy.Có thể kể ra các yếu tố bị ảnh hưởng bởi chất lượng bề mặt như: Hệ số ma sát, tínhchống mòn, độ cứng vững tiếp xúc, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền mỏi, độ bền vađập, tính chống ăn mòn... Sau đây ta nói đến các ảnh hưởng thường gặp:2.2.1- ảnh hưởng đến tính chống mòna]ảnh hưởng đến độ nhám bề mặtDo bề mặt hai chi tiết tiếp xúc nhau có nhấp nhơ tế vi nên trong giai đoạn đầucủa q trình làm việc, hai bề mặt này chỉ tiếp xúc nhau ở một số đỉnh cao nhấp nhơ;diện tích tiếp xúc thực chỉ bằng một phần của diện tích tính tốn.Tại các đỉnh tiếp xúc đó, áp suất rấtlớn, thường vượt quá giới hạn chảy, có khivượt quá cả giới hạn bền của vật liệu. ápsuất đó làm cho các điểm tiếp xúc bị nénđàn hồi và làm biến dạng dẻo các nhấpnhơ, đó là biến dạng tiếp xúc. Khi hai bềmặt có chuyển động tương đối với nhauHình 2.3- Mơ hình 2 bề mặt tiếpsẽ xảy ra hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnhxúcnhấp nhô; các đỉnh nhấp nhô bị mòn nhanh làm khe hở lắp ghép tăng lên. Đó là hiệntượng mòn ban đầu.Trong điều kiện làm việc nhẹ và vừa, mòn ban đầu có thể làm cho chiều caonhấp nhơ giảm 65  75%; lúc đó diện tích tiếp xúc thực tăng lên và áp suất tiếp xúcgiảm đi. Sau giai đoạn mòn ban đầu [chạy rà] này, q trình mài mòn trở nên bìnhthường và chậm, đó là giai đoạn mòn bình thường [giai đoạn này, chi tiết máy làmviệc tốt nhất].Cuối cùng là giai đoạn mòn kịch liệt, khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, nghĩa làcấu trúc bề mặt chi tiết máy bị phá hỏng.Mối quan hệ giữa lượng mòn và thời gian sử dụng của một cặp chi tiết ma sátvới nhau tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu được biểu thị như sau:cĐộ mòn[u]0t3 t2 t1T3T2baT1Hình 2.4- Q trình mài mòn của một cặp chi tiết.Các đường đặc trưng a, b, c ứng với ba độ nhám ban đầu khác nhau của các bềmặt tiếp xúc. Đường đặc trưng c, cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt ban đầu kémnhất nên giai đoạn mòn ban đầu xảy ra nhanh nhất, cường độ mòn lớn nhất ở giaiđoạn mòn ban đầu.Thực nghiệm chứng tỏ rằng, nếu giảm hoặc tăng độ nhám tới trị số tối ưu, ứngvới điều kiện làm việc của chi tiết máy thì sẽ đạt được lượng mòn ban đầu ít nhất, quađó, kéo dài tuổi thọ của chi tiết máy.Độ mòn[Đường 1 ứng với điều kiệnban đầu ulàm việc nhẹ. Đường 2 ứng với2điều kiện làm việc nặng].Lượng mòn ban đầu ít nhấtứng với giá trị của Ra tại các điểmu2Ra1, Ra2 ; đó là giá trị tối ưu của1u1Ra10Ra2RaHình 2.5- Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu uvà sai lệch profin trung bình cộng RaRa. Nếu giá trị của Ra nhỏ hơn trịsố tối ưu Ra1, Ra2 thì sẽ bị mònkịch liệt vì các phấn tử kim loạidễ khuếch tán. Ngược lại, giá trịcủa Ra lớn hơn trị số tối ưu Ra1,Ra2 thì lượng mòn tăng lên vì cácnhấp nhơ bị phá vỡ và cắt đứt.b]ảnh hưởng của lớp biến cứng bềmặtLớp biến cứng bề mặt của chi tiết máy có tác dụng nâng cao tính chống mòn.Biến cứng bề mặt làm hạn chế sự khuếch tán ơxy trong khơng khí vào bề mặt chi tiếtmáy để tạo thành các ôxyt kim loại gây ra ăn mòn kim loại. Ngồi ra, biến cứng cònhạn chế q trình biến dạng dẻo tồn phần của chi tiết máy, qua đó hạn chế hiệntượng chảy và hiện tượng mài mòn.Ngồi phương pháp gia cơng cắt gọt, người ta dùng các phương pháp gia côngbiến dạng dẻo để biến cứng bề mặt: phun bi, lăn bi, nong ép ...c]ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặtứng suất dư ở lớp bề mặt chi tiết máy nói chung khơng có ảnh hưởng đáng kểtới tính chống mòn nếu chi tiết máy làm việc trong điều kiện ma sát bình thường.2.2.2- ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máya]ảnh hưởng của độ nhám bề mặtĐộ nhám bề mặt có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất là khi chitiết máy chịu tải trọng chu kỳ có đổi dấu, tải trọng va đập vì ở đáy các nhấp nhơ tế vicó ứng suất tập trung lớn, ứng suất này sẽ gây ra các vết nứt tế vi và phát triển ở đáycác nhấp nhơ, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy do mõi.Nếu độ nhám thấp thì độ bền, giới hạn mỏi của vật liệu sẽ cao, và ngược lại.b]ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặtBề mặt bị biến cứng có thể làm tăng độ bền mỏi khoảng 20%. Chiều sâu vàmức độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy;cụ thể là hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết, nhất là khibề mặt chi tiết có ứng suất nén.c]ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặtứng suất dư nén trên lớp bề mặt có tác dụng nâng cao độ bền mỏi, còn ứng suấtdư kéo lại hạ thấp độ bền mỏi của chi tiết máy. Vì thế, khi chế tạo người ta cố gắng làmcho chi tiết có được ứng suất nén trên bề mặt.Bằng thực nghiệm ta có cơng thức:110    .ttbdtrong đó:  : giới hạn mỏi khi có ứng suất dư [thực tế].bd-1: giới hạn mỏi khi khơng có ứng suất dư [ban đầu].0: ứng suất dư lớn nhất, dương nếu ứng suất kéo, âm nếu ứng suất nén.: là hệ số phụ thuộc vật liệu, được cho trong các sổ tay.tt12.2.3- ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bềa]mặt chi tiết máyảnh hưởng của độ nhám bề mặtCác chỗ lõm trên bề mặt do độ nhám tạo ra là nơi chứa các tạp chất như axit,muối... Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học đối với kim loại. Q trình ănmòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết theo sườn của nhấp nhô và hình thành các nhấpnhơ mớiNhư vậy, bề mặt chi tiết máy càng ít nhám thì sẽ càng ít bị ăn mòn hóa học [vìkhả năng chứa các tạp chất ít], bán kính đáy các nhấp nhơ càng lớn khả năng chốngăn mòn hóa học của lớp bề mặt càng cao.Có thể chống ăn mòn hóa học bằng cách phủ lên bề mặt chi tiết máy một lớpbảo vệ bằng phương pháp mạ hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt.b]ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặtBiến cứng tăng thì tính chống ăn mòn giảm vì biến cứng tăng thì sự thay đổicủa các hạt khơng đồng đều. Hạt ferrit biến dạng nhiều hơn hạt peclit, điều đó làmcho năng lượng nâng cao khơng đều và thế năng điện tích của các hạt thay đổi khácnhau. Hạt ferrit biến cứng nhiều hơn sẽ trở thành anốt. Hạt peclit bị biến cứng ít hơnsẽ trở thành catốt. Lúc này, tạo ra các pin ăn mòn nên ăn mòn sẽ tăng.c]ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặtứng suất dư hầu như khơng ảnh hưởng đến tính chống mòn khi làm việcnhiệt độ bình thường. Còn ở nhiệt độ cao thì sẽ có ảnh hưởng.ở2.2.4- ảnh hưởng đến độ chính xác các mối lắp ghépTrong giai đoạn mòn ban đầu, chiều cao nhấp nhơ tế vi R z, đối với mối ghéplỏng có thể giảm đi 65  75% làm khe hở lắp ghép tăng lên và độ chính xác lắp ghépgiảm đi. Để đảm bảo độ ổn định của mối lắp lỏng trong thời gian sử dụng, phải giảmđộ nhấp nhô tế vi. Giá trị Rz hợp lý được xác định theo độ chính xác của mối lắp tùytheo trị số của dung sai kích thước lắp ghép.- Nếu đường kính lắp ghép  > 50mm thì Rz = [0.1  0.15]T- Nếu đường kính lắp ghép 18 <  < 50mm thì Rz = [0.15  0.2]T- Nếu đường kính lắp ghép  < 18mm thì Rz = [0.2  0.25]TVới các mối ghép có độ dôi lớn khi ép hai chi tiết vào nhau để tạo mối ghépthì nhám bị san phẳng, nhám càng lớn thì lượng san phẳng càng lớn, độ dơi của mốighép càng giảm, độ bền mối ghép giảm. Rz tăng thì độ bền của mối ghép chặt giảm.Ví dụ: Độ bền mối lắp chặt giữa vành bánh xe lửa và trục ứng với chiều caonhấpnhô tế vi Rz là 36.5 m sẽ thấp hơn khoảng 40% so với độ bền cũng của mối lắp đóứng với Rz là 18 m, vì độ dơi ở mối lắp ghép sau nhỏ hơn ở mối lắp ghép trước cỡ15%.Tóm lại, độ chính xác các mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc vàochất lượng các bề mặt lắp ghép. Độ bền các mối lắp ghép, trong đó độ ổn định củachế độ lắp ghép giữa các chi tiết, phụ thuộc vào độ nhám của các bề mặt lắp ghép.2.3- các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiếtTrạng thái và tính chất của lớp bề mặt chi tiết máy trong q trình gia cơng donhiều yếu tố cơng nghệ quyết định như tính chất vật liệu, thơng số cơng nghệ, vật liệudao, sự rung động trong q trình gia công, dung dịch trơn nguội ...Người ta chia các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt thành 3 nhóm:- Các yếu tố ảnh hưởng mang tính in dập hình học của dụng cụ cắt và của thơng số côngnghệ lên bề mặt gia công.- Các yếu tố ảnh hưởng phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt.- Các yếu tố ảnh hưởng do rung động máy, dụng cụ, chi tiết gia công.2.3.1- ảnh hưởng đến độ nhám bề mặta]Các yếu tố mang tính in dập hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắtĐể nghiên cứu, ta xét phương pháp tiện. Qua thực ngiệm, người ta đã xácđịnh mối quan hệ giữa các thông số: độ nhấp nhô tế vi R z, lượng tiến dao S, bán kínhmũi dao r, chiều dày phoi nhỏ nhất có thể cắt được h min. Tùy theo giá trị thực tế củalượng chạy dao S mà ta có thể xác định mối quan hệ trên như sau:- Khi S > 0.15 mm/vgthìS2Rz  8.rS2Rz - Khi S < 0.1 mm/vgthìhmin ⎛r. hmin ⎞⎜1 ⎟22 ⎝S⎠8.rở đây, hmin phụ thuộc bán kính r của mũi dao:+ Nếu mài lưỡi cắt bằng đá kim cương mịn, lúc đó r = 10 m thì hmin = 4m.+ Mài dao hợp kim cứng bằng đá thường nếu r = 40 m thì hmin > 20 m.- Khi S quá nhỏ [< 0,03 mm/vg] thì trị số của R z lại tăng, tức là khi gia côngtinh với S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa đối với việc cải thiện chất lượng bề mặt chitiết vì xẩy ra hiện tượng trượt mà khơng tạo thành phoi.Chiều sâu cắt t cũng có ảnh hưởng tương tự như lượng chạy dao đối với chiềucao nhấp nhô tế vi, nếu bỏ qua độ đảo của trục chính máy.Các thơng số hình học của lưỡi cắt, đặc biệt là góc trước  và độ mòn có ảnhhưởng đến Rz. Khi góc  tăng thì Rz giảm, độ mòn dụng cụ tăng thì Rz tăng.Ngồi ảnh hưởng đến nhám bề mặt, hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chếđộ cắt cũng ảnh hưởng đến lớp biến cứng bề mặt và được tính đến qua hệ số hiệu chỉnh.Ví dụ: Xét sự ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắtđến chất lượng bề mặt chi tiết khi tiện.S1S2mR’’zR’zj1j1221a]S1S1RzRzjj121b]21c]r1S1t1d]S1Rzr212e]Rz2jf]11