Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm kiểm tra đặc tính ma sát và độ chịu mài mòn của lớp bề mặt

Việc kiểm tra đánh giá chất lượng và tính chất các lớp bề mặt đóng vai trò quan trọng, đặc biệt khi công nghệ phủ tăng bền bề mặt ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Bài báo này trình bày về một nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra đặc tính ma sát và mòn lớp bề mặt Pin-on-dics (POD). Loại thiết bị chế tạo ra có cấu tạo và nguyên lý vận hành đơn giản, đáp ứng được yêu cầu đánh giá khả năng chống mòn và đặc tính ma sát của các bề mặt vật liệu, đặc biệt máy rất thích hợp trong việc kiểm tra các lớp vật liệu bề mặt rất mỏng như các lớp phủ với chiều dày chỉ vài nanomet.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm kiểm tra đặc tính ma sát và độ chịu mài mòn của lớp bề mặt Nguyễn Thị Quốc Dung và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 29 - 36 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KIỂM TRA ĐẶC TÍNH MA SÁT VÀ ĐỘ CHỊU MÀI MÒN CỦA LỚP BỀ MẶT Nguyễn Thị Quốc Dung*, Lý Việt Anh, Lê Văn Nhất, Nguyễn Đình An Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Việc kiểm tra đánh giá chất lượng và tính chất các lớp bề mặt đóng vai trò quan trọng, đặc biệt khi công nghệ phủ tăng bền bề mặt ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Bài báo này trình bày về một nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra đặc tính ma sát và mòn lớp bề mặt Pin-on-dics (POD). Loại thiết bị chế tạo ra có cấu tạo và nguyên lý vận hành đơn giản, đáp ứng được yêu cầu đánh giá khả năng chống mòn và đặc tính ma sát của các bề mặt vật liệu, đặc biệt máy rất thích hợp trong việc kiểm tra các lớp vật liệu bề mặt rất mỏng như các lớp phủ với chiều dày chỉ vài nanomet. Từ khóa: POD, độ mòn, khả năng chịu mòn, hệ số ma sát, lớp mạ. GIỚI THIỆU* Các bề mặt với yêu cầu có độ bền cao và khả năng chống mòn tốt ngày càng được sử dụng nhiều trong kỹ thuật. Đặc biệt với công nghệ phủ như phủ bay hơi; thấm Ni-tơ; mạ đơn chất; mạ tổ hợp và mạ composite, đã tạo ra một bước tiến vượt bậc về việc tăng tuổi thọ và độ bền của các chi tiết làm việc trong các điều kiện chịu mài mòn như các loại dụng cụ cắt kim loại, các chi tiết quan trọng như xilanh, pit-tông sử dụng trong động cơ máy bay, xe đua [1]… Việc kiểm tra đánh giá tính chất ma sát và khả năng chống mòn của các lớp bề mặt đóng vài trò đặc biệt quan trọng, nhất là đối với các lớp phủ có chiều dày chỉ vài nanomet sẽ góp phần cải tiến công nghệ bề mặt cũng như tạo ra các chi tiết có khả năng đáp ứng các yêu cầu cao về độ chịu mài mòn, tăng tuổi thọ chi tiết trong những điều kiện làm việc khắc nghiệt [1]. Trước kia các thiết bị kiểm tra tính chất ma sát và độ chịu mài mòn của bề mặt vật liệu tiếp xúc thường làm việc theo nguyên tắc kiểm tra từng thông số đơn lẻ. Tức là trên một thiết bị chỉ kiểm tra được một thông số ví dụ như độ mòn hoặc là hệ số ma sát,… Có thể liệt kê như các máy giúp tính toán hệ số ma sát trên nguyên lý mặt phẳng nghiêng hay nguyên lý lực kéo chớm trượt trên mặt phẳng ngang [7] hay các máy đo độ mòn đơn giản dựa trên * Tel: 0915308818; Email: quocdungktcn@yahoo.com.vn nguyên lý đo độ dày mất mát của vật liệu [8]. Dẫn tới số lượng thí nghiệm phải làm rất nhiều, cần nhiều loại thiết bị thí nghiệm khác nhau, số mẫu cần sử dụng cũng rất lớn, và quan trọng nhất là khó có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số đến nhau. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị được sử dụng để xác định hệ số ma sát và khả năng chịu mòn của vật liệu hiện nay đã có những bước cải tiến rõ rệt. Chỉ bằng một lần chạy máy, các thông số từ hệ số ma sát, lượng mòn, khả năng chịu mòn, đặc biệt ảnh hưởng của các nhân tố đến các thông số này như độ ẩm môi trường, vận tốc ma sát giữa hai bề mặt, nhiệt độ bề mặt… hoàn toàn có thể xác định được trên các phần mềm của máy [6,7]. Tuy nhiên do phải tích hợp các thiết bị kèm theo để tính toán và xác định giá trị các nhân tố nên giá thành của các máy này tăng lên rất cao; tham khảo của một số hãng chuyên sản xuất máy như: máy CH-2034 Peseux của hãng Miktech (Switzerland) (8000€); máy Falex ISC-200PC của hãng Falex (Mỹ) hawei (12.000€) [4]. Qua tham khảo các tài liệu trên thế giới, nhóm tác giả nhận thấy các máy kiểm tra về các thông số ma sát nêu trên phần lớn hoạt động dựa trên nguyên lý tính toán ma sát tiếp xúc giữa một đĩa quay với bề mặt các chi tiết khác, chúng được gọi chung là máy Pin-ondisc machines (máy chốt quay trên đĩa) gọi tắt là máy POD [5,6,7,8]. 29 Nguyễn Thị Quốc Dung và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Từ điều kiện sản xuất sẵn có, một loại thiết bị kiểm tra đánh giá tính chất ma sát và khả năng chống mòn của các lớp bề mặt, POD có giá thành thấp kết cấu đơn giản phù hợp với kiện sản xuất trong nước đã được nghiên cứu và chế tạo. Các kết quả thử nghiệm cho thấy máy POD thiết kế đáp ứng được yêu cầu cần thiết như giá thành rẻ, hoạt động tin cậy với nguyên lý vận hành máy đơn giản, dễ dàng thay đổi các thông số đầu vào để kiểm tra tính chất bề mặt trong những điều kiện khác nhau, đã giúp cho các kết quả đánh giá được đầy đủ và chính xác hơn. THIẾT KẾ MÁY PIN-ON-DISC (POD) Sơ đồ nguyên lý 650 A Ptd 200 B 550 220 5 4 2 Ptt 1 A 118(04): 29 - 36 sát được tạo ra nhờ tải trọng đặt lên tay đòn (5). Trên tay đòn (5) có gia công một rãnh trượt để chốt (1) và bộ phận mang chốt (4) có thể dịch chuyển dọc theo tay đòn trong khoảng 15mm. Để xác định lượng mòn của cặp vật liệu chốt và đĩa sẽ được cân trước khi lắp vào máy. Xác định tải trọng treo trên tay đòn sau đó tính toán ra phản lực liên kết trên hai bề mặt tiếp xúc. Sau khoảng chu kỳ xác định (theo thời gian hoặc số vòng quay của máy) chốt và đĩa được tháo ra cân lại. Tiến hành thí nghiệm sau nhiều lần sẽ xác định được biểu đồ lượng mòn của vật liệu. Quá trình này được trình bày rõ rằng ở phần tiến hành thí nghiệm. Tính chất ma sát giữa hai bề mặt mà đặc trưng bởi hệ số ma sát của cặp vật liệu sẽ được xác định thông qua lực ma sát nhờ Sensor đo lực gắn trên khớp nối giữa động cơ và trục mang đĩa. Sensor được sử dụng là loại Sensor điện áp nối trực tiếp với Vôn-kế. Từ giá trị điện áp người tiến hành thí nghiệm sẽ tính toán ra lực ma sát mà chốt tác dụng lên đĩa. Tỉ số giữa lực ma sát và lực tác dụng của chốt lên đĩa sẽ biểu thị hệ số ma sát của hai bề mặt. 3 B 700 (1: chốt; 2:đĩa; 3:động cơ; 4:bộ phận mang chốt; 5:tay đòn) Hình 1. Sơ đồ nguyên lý máy POD Máy POD làm việc trên nguyên lý tạo ma sát trượt giữa bề mặt chốt và đĩa như hình 1. Bộ phận chủ yếu là một đĩa quay (disc) (2) được gắn với động cơ điện (3), đĩa được gắn chặt trên động cơ nhờ 1 bu-lông có ren trái để khi động cơ quay đĩa không bị văng ra ngoài, trên đĩa là chốt (pin) (1). Chốt (1) được kẹp chặt trên bộ phận mang chốt (4) một vít. ...