Monthly Archives: Tháng Mười 2007

Thép và hợp kim đàn hồi

Kim loại và hợp kim đàn hồi với những tính chất đặc biệt hiện đang được sử dụng với một số lượng rất lớn trong ngành cơ khí chế tạo, giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp quốc phòng,… Để hiểu rõ hơn về bản chất, xin mời các bạn tham khảo bài viết sau:

1. Yêu cầu đối với vật liệu đàn hồi

Thép và các hợp kim có các tính chất đàn hồi cao được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy và dụng cụ. Trong chế tạo máy, chúng được dùng để chế tạo nhíp, bộ giảm xóc, lò xo chịu lực với các công dụng khác nhau. Trong chế tạo dụng cụ đươc sử dụng làm các chi tiết đàn hồi như tấm rơle, hộp xếp, giá treo, cấu kiện chịu kéo. Đặc điểm chung của các chi tiết này là không được phép biến dạng dư khi tải trọng tĩnh lớn, tuần hoàn hay va đập. Do đó các vật liệu này ngoài cơ tính đặc trưng cho các vật liệu kết cấu ( độ bền, độ déo, độ dai, độ bền mỏi) cần phải có độ bền cao để chống lại biến dạng dẻo dù nhỏ. Trong điều kiện chụ tải trọng tĩnh trong thời gian ngắn, độ bền chống biến dạng dẻo nhỏ được đặc trưng bởi giới hạn đàn hồi, khi chịu tải lâu hay tải tuần hoàn thì đó là độ bền tích thoát.

Độ bền tích thoát được đánh giá bởi sự chống lại tích thoát ứng suất. Tích thoát ứng suất được đặc trưng bởi việc giảm ứng suất làm việc trong chi tiết. Sự tích thoát ứng suất nguy hiểm ở chỗ, khi chuyển một phần biến dạng đàn hồi thành biến dạng dẻo thì các phần tử đàn hồi thay đổi hình dáng và kích thước sau khi bỏ tải trọng.

Tích thoát ứng suất xảy ra bằng cách biến dạng dẻo tế vi trong các hạt tinh thể riêng lẻ và được tích lũy theo thời gian. Với cấc ứng suất thấp hơn giới hạn đàn hồi, biến dạng dẻo tế vi có thể được gây ra: bởi sự uốn cong các lệch hay sự tách lệch riêng biệt khỏi các chốt hãm khi ứng suất nhỏ, bởi sự dịch chuyển các lệch hãm khi ứng suất cao.

Do đó để hợp kim đạt được giói hạn đàn hồi và độ bền tích thoát cao cần phải tạo được cấu trúc lệch ổn định, trong đó không chỉ phần lớn mà hầu như tất cả các lệch bị phong tỏa chắc chắn. Ngoài ra cấu trúc như thế phải có ứng suất tế vi ở mức độ không cao ví các ứng suất tế vi này cùng với ứng suất làm việc làm cho lệch chuyển động dễ dàng.

Để hãm lệch người ta dùng tất cả các phương tiện tạo chướng ngại vật có hiệu quả: hợp kim hóa, nâng cao mật độ lệch, tiết ra các pha thứ 2 phân tán. Với quan điểm về các tính chất đàn hồi thì cơ nhiệt luyện tạo thành cầu trúc thuận lợi nhất.

2. Các loại thép lò xo, nhíp

Các thép cacbon lò xo, nhíp thường được gọi là thép lò xo thông dụng có môđun đàn hồi cao để hạn chế biến dạng đàn hồi. Nên chúng được sử dụng để chế tao các chi tiết đàn hồi, chịu lực cao. Đây là các vật liệu có giá thành không cao nên được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ô tô, máy kéo, trong vận tải đường sẳt và chế tạo máy công cụ.

Để đảm bảo khả năng làm việc của các phân tử đàn hồi chịu lực các thép lò xo cần phải có giới hạn đàn hồi, giới hạn mỏi và độ bền tích thoát cao. Các thép lò xo thường có hàm lượng cacbon cao ( 0,5-0,7% ) được tôi và ram ở nhiệt độ 420-4500C thỏa mãn các yêu cầu đó.

Thép được tôi ra tổ chức mactenxit có giới hạn đàn hồi không cao. Giới hạn đàn hồi được nâng cao rõ rệt khi hình thành tổ chức trootxtit. Trong tổ chức này Ferit có mật độ cao các lệch kém chuyển động do bị biến cứng pha mạnh. Ngoài ra chúng còn bị phong tỏa có hiệu quả bởi các hạt cacbít phân tán.

Ngoài các tính chất đàn hồi cao, ram ra tổ chức trootxtit bảo đảm nâng cao một chừng mực nào đó độ dẻo và độ dai (đặc biệt trong các thép không có xu hướng ròn ram), nó quan trọng để giảm độ nhạy cảm với sự tập trung ứng suất và tăng giới hạn mỏi.

Tôi đẳng nhiệt ra tổ chức bainit dưới cũng cho kết quả tốt. Nó cho phép có được cơ tính cao khi chi tiết ít bị biến dạng.

Các lò xo không lớn và hình dạng ít phức tạp được chế tạo từ thép đã qua nhiệt luyện. Đối với lò xo to đòi hỏi lực quấn lớn thì dùng thép ở trạng thái ủ. Các chi tiết sau khi được chế tạo bằng cách quấn nóng hay rập nóng sẽ được nhiệt luyện.

Thép để làm nhíp được cung cấp ở dạng băng, sau đó rập tạo hình và tôi, ram ( hiện nay thường dùng lò chương trình tôi ram liên tục) sau đó bó.

Các mác thép cacbon bao gồm : C65, 70, 75, 80, 85, 65Mn, 70Mn (TCVN) được đặc trưng bởi độ bền tích thoát không cao, đặc biệt khi nung nóng. Chúng không có lợi để làm việc ở nhiệt độ trên 1000C. Do độ thấm tôi thấp nên các thép này được dùng các lò xo tiết diện không lớn lắm.
Các thép lò xo, nhíp hợp kim thuộc về lớp peclít. Các nguyên tố hợp kim cơ bản trong chúng là Si ( 1-3%), Mn (~1%). Trong các chi tiết có công dụng quan trong hơn thì thép được hợp kim hóa them Cr (~1%) và Ni (<1,7%) các nguyên tố hợp kim yêu cầu phải có ảnh hưởng ít tới giới hạn đàn hồi là tính chất chủ yếu của họ thép này. Quan trong hơn là hợp kim hóa để nâng cao độ thấm tôi, độ bền tích thoát ứng suất và gới hạn mỏi. Do đó hợp kim được sử dụng cho những phần tử đàn hồi kích thước lớn và đảm bảo cho chúng làm việc lâu hơn và độ tin cậy cao hơn.

Các mác thép Silic 50Si2, 60Si2, 70Si3A được dùng làm lò xo hay nhíp có chiều dày 18 mm. Chúng có đặc điểm chống sự lớn lên của hạt khi tôi, nhưng lại có xu hướng dễ thoát cacbon khi nung, đây là một dạng khuyết tật mặt rất nguy hiểm vì giảm độ bền mỏi. Mác thép Si-Mn 60SiMnA đã hạn chế được nhược điểm này và được dùng để chế tạo các lò xo có chiều dày nhỏ hơn 14 mm.

Các mác thép 50CrVA, 50CrMnVA có nhiệt độ ram cao hơn dòng thép Si và Si-Mn khoảng 5200C, có khả năng chịu nhiệt cao hơn, độ dai cao hơn, ít nhạy cảm với nhát cắt. Chúng được dùng làm nhíp các ôtô nhẹ, lò xo xupáp và các lò xo có công dụng quan trọng khác và nhiệt độ làm việc khoảng 3000C.

Các thép 60Si2CrA và 60Si2Ni2A đươc tôi thấu trong các tiết diện tương ứng là 50 và 80 mm và được dùng làm các lò xo và nhíp lớn có tải nặng và đặc biệt. Các tính chất của thép được quyết định bởi hàm lượng Cacbon và nhiệt độ ram. Ram được tiến hành ở nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ ứng với giới hạn đàn hồi cực đại để đảm bảo độ dẻo và dai.

Các mác thép 70Si3A, 60Si2CrA, 60Si2Ni2A có cơ tính cao nhất σb≥ 1800MPa; σ0,2 ≥ 1600MPa; δ≥ 5%; Ψ ≥20%. Giới hạn đàn hồi đạt σ0,01=880 -1150 MPa, còn độ cứng đạt 40-48 HRC. Với độ bền và độ cứng như vậy, thép này nhạy cảm với sự tập trung ứng suất cho nên trạng thái bề mặt có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mỏi. Khi không có khuyết tật bề mặt giới hạn mỏi của thép khi uốn thấp hơn 500 MPa, còn khi xoắn ~300MPa. Để giảm độ nhạy cảm với tập trung ứng suất thì các lò xo và nhíp đã chế tạo được biến cứng bề mặt bằng phun bi. Sau khi đã hóa bền bằng phun bi giới hạn mỏi tăng 1,5-2 lần.

Trần Thanh Tùng

www.meslab.org


 

Các hợp kim nhớ hình ( SMA )

Giới thiệu

Hợp kim nhớ hình (SMA) là các hợ kim có khả năng ghi nhớ hình dạng ban đầu của chúng. Chúng đặc biệt hữu dụng trong rất nhiều lĩnh vực như : y sinh, cơ khí chế tạo, hay chế tạo các bộ tạo xung trong ngành điện. Các ứng dụng ngày càng phong phú đã làm cho vai trò của SMA ngày càng trở nên quan trọng.

Lịch sử

Các hợp kim hệ Ni – Ti là các SMA được ứng dụng rộng rài nhất. Các SMA khác bao gồm các họ hợp kim Au – Al – Ni, Cu – Zn – Al và Fe – Mn – Si. Tên gọi chung của các SMA họ Ni – Ti là Nitinol. Lịch sử của các SMA bắt đầu từ năm 1961 khi William J. Buehler, một nhà nghiên cứu tại Naval Ordnance Laboratory, phát hiện ra hiệu ứng nhớ hình ở hợp kim Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory). Phát hiện này là một sự tình cờ may mắn: Tại một cuộc họp của Phòng thí nghiệm, một thanh Nitinol được đem ra trình diễn về khả năng uốn cong nhiều lần. Một trong những người tham gia thuyết trình, TS David S. Muzzey, nung nóng nó bằng cái bật lửa của ông, và thật ngạc nhiên, thanh kim loại phục hồi lại hình dạng ban đầu.

Cấu trúc tinh thể của SMA

Nguyên nhân các SMA có thể “nhớ” được hình dạng của mình vẫn nằm trong màn bí ẩn sau phát minh trên. TS Frederick E. Wang, một chuyên gia trong ngành vật lý tinh thể, là người đầu tiên chỉ ra rằng chính các thay đổi trong cấu trúc ở thang nguyên tử gây ra các tính chất của SMA.

Ông nhận thấy rằng đã có chuyển biến pha ở trạng thái rắn xảy ra đối với các hợp kim này. Chuyển biến pha này, sau này được gọi là chuyển biến martensite, có liên quan mật thiết tới sự thay đổi trong sắp xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể của hợp kim. Dưới nhiệt dộ chuyển biến, Nitinol có cấu trúc matensite. Khi thành phần của Nitinol thay đổi, nhiệt độ chuyển biến dao động từ -50 đến 166 ° C. Ở trạng thái martensite, có thể được uốn thành rất nhiều hình dạng khác nhau. Để “định” một “hình dạng gốc” cho Nitinol, người ta giữ nó ở vị trí biến dạng đó và nung lên nhiệt độ khoảng 500 độ C. Nhiệt độ cao làm cho các nguyên tử tự sắp xếp theo các cấu trúc compact (bó gọn) và theo trật tự khả dĩ, kết quả là tạo ra pha lạp phương mà ta gọi là austenite. Trên nhiệt độ chuyển biến, nitinol chuyển từ pha M –> pha A và phục hồi “hình dạng gốc” của mình. Các chuyển biến này có thể lặp lại hàng triệu lần mà nitinol vẫn có thể “nhớ” được.

Chế tạo

Có nhiều cách để chế tạo nitinol. kỹ thuật phổ dụng hiện nay để chế tạo hợp kim Ni – Ti bao là các phương pháp nấu chảy chân không (vacuum melting): nấu chảy bằng dòng electron, nấu chảy bằng hồ quang trong chân không, nấu chảy cảm ứng trong chân không. Thỏi đúc được rèn, sau đó được cán thành thanh hoặc kéo dây. Nhiệt độ gia công ~ 700 – 900 độ C.

Các hợp kim Ni – Ti cũng có thể gia công nguội được. Quy trình cũng tương tự như gia công dây Titan. Người ta dùng các khuôn kéo có kim cương và cacbit để chế tạo các sản phẩm dạng dây có đường kính 0.075 – 1.25 mm. Gia công nguội làm thay đổi mạnh tính chất cơ lý của hợp kim Ni – Ti.

Tính chất

Tính chất của hợp kim Ni – Ti phụ thuộc TPHH và phương pháp chế tạo:

– Nhiệt độ chảy: 1240 – 1310 độ C
– Tỷ trọng : ~ 6.5 g/cm³
Nitinol có thể sinh ra một lực lớn khi chuyển biến về “hình dạng gốc”. Một vài tính chất đáng chú ý khác là khả năng chống ăn mòn, độ bèn cao, phi từ tính, chịu nhiệt và độ dai lớn.

Các tính chất này dẫn đến các ứng dụng tuyệt vời của các Nitinol.

Ứng dụng

Nitinol có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật quân sự, y học, kỹ thuật an toàn và trong chế tạo robot.

– Trong y học: Chế tạo các loại stent (một loại chi tiết siêu nhỏ cấy vào mạch máu để chống lại sự tắc ngẽn mạch máu do bám mỡ), chế tạo các loại nẹp xương, đỡ cột sống, van tim, nẹp chỉnh hình răng,….

– Trong chế tạo các thiết bị an toàn và thiết bị báo cháy,…

– Ứng dụng trong chế tạo đồ gia dụng: sensor nhiệt, bộ phát dao động trong các dụng cụ,…

www.meslab.org

Thiết kế dụng cụ cắt

Trong những thập niên qua, dụng cụ có gắn mảnh hợp kim quay như dao phay và dao doa, với sự quay của mảnh hợp kim đạt được một kết quả cao đối với những nhà sản xuất ôtô và trong những ngành công nghiệp khác.
Lý do lớn nhất đối với việc xuất hiện một cách bất ngờ của dụng cụ hợp kim quay là sự phát triển vật liệu mới để sản xuất những thân động cơ ôtô. Trong quá khứ, gang đã từng là vật liệu được chọn để sản xuất động cơ. Nó có những tính chất đặc trưng sau : có độ bền cao, độ chống mài mòn, tính đúc, tính giảm chấn, tính dẫn nhiệt,….Nhưng hiện nay việc phát triển một vật liệu mới thay cho vật liệu cũ là một công việc đang được tiến hành.
Hợp kim gang xám và gang dẻo có độ bền cao được áp dụng rộng rãi trong sản xuất động cơ diesel. Gần đây, gang cầu đã được chọn để sản xuất động cơ Diesel.
Gang cầu về cấu trúc và cơ tính của nó nằm giữa gang xám và gang dẻo. Ví dụ như nó có độ bền cao và modun đàn hồi lớn hơn gang xám nhưng vẫn giữ được những tính chất như độ giảm chấn, dẫn nhiệt và tính đúc của gang xám.Những nhà chế tạo ôtô ở Châu Âu đã từng dùng gang cầu để chế tạo thân động cơ diesel. Nhưng cùng với những ưu điểm trên thì việc gia công chúng cũng rất khó khăn.
Thực tế một trong việc nghiên cứu về tốc độ cắt gọt liên tục của gang cầu bằng dụng cụ carbide có tuổi thọ nhỏ hơn 10% so với gia công gang xám. Trong những nghiên cứu gần đây đã đưa ra nguyên nhân của sự giảm tuổi thọ này là do: khi gia công gang xám, một lớp mangan sunphít (MnS) dày 5mm bám lên bề mặt lưỡi cắt của dao. Lớp lẹo dao này có tác dụng là bảo vệ lưỡi cắt và tăng cương khả năng bôi trơn bề mặt lưỡi cắt. Đối với gang cầu thì không có những lớp tương tự như thế.
Mảnh hợp kim quay :

Mảnh hợp kim quay đã từng xuất hiện khoảng 50 năm qua. Mảnh hợp kim quay được lắp vào một ổ trục đỡ chặn, nó cho phép mảnh hợp kim quay tự do. Sự quay này tạo ra một sự hoạt động nhỏ, mà ở đó bao gồm sự thay đổi liên tục vùng cắt gọt để bóc vật liệu trong quá trình cắt, tạo ra nhiệt độ thấp hơn, tăng cường tuổi thọ của dụng cụ bằng cách phân chia độ mòn đều trên toàn bộ chu vi của mảnh hợp kim, lực gia công và năng lượng yêu cầu thấp và tạo ra bề mặt gia công tốt hơn.
Sự hạn chế của dụng cụ là tính ổn định của nó được thể hiện từ hệ thống ổ trục, kích thước của mảnh hợp kim, chi phí ban đầu cho lưỡi cắt và mảnh hợp kim cao hơn và thiếu ý nghĩa về việc phân tích thiết kế dụng cụ cắt. Nhưng những vấn đề trên đang trong từng bước khắc phục. Nếu như nhiệt ở ổ trục quay quá cao thì chúng ta làm mát ở đó. Cho nên chúng cải thiện được vật liệu ổ trục quay và có thể dùng mỡ để bôi trơn và hạ nhiệt độ.
Kết quả của sự phát triển dụng cụ quay tạo ra một hệ thống thân ổ trục gọn nhẹ bao gồm một stator được bao quanh bởi ổ chặn (thrust bearing) và ổ bi kim (needle roller bearing). Những ổ này cho phép rotor quay dưới tác dụng của lực cắt gọt. Mảnh hợp kim được lắp ép vào một rotor và được xiết bằng một đai ốc. Một đuôi én ở dưới stator nhằm dẫn hướng dụng cụ và đựơc khóa bằng thiết bị kẹp chặt. Thân ổ được che chắn kín bởi phớt chắn dầu nhằm hạn chế nhiễm bẫn từ dung dịch cắt gọt và phoi.
Công ty Rotary Technology có sáng kiến là sử dụng ổ đỡ và ổ kim, nó cho phép mảnh hợp kim quay dưới tác dụng của lực cắt gọt kim loại. Đuôi én ở dưới stator cho phép thân ổ được kẹp chặt trên lưỡi cắt
Khi ứng dụng gia công các chi tiết trong ô tô, công ty Rotary Technology đã phay 40.000 (chi tiết/ lưỡi cắt) vật liệu gang ở tốc độ 76 (m/ phút) mà không phủ carbide. Chi tiết ở đây là thân động cơ. Khi phay bán tinh với chiều sâu cắt khoảng 2mm và tốc độ 76 (m/ phút), dao có đường kính 355mm và trên đó có gắn 18 ổ (ứng với 18 mảnh hợp kim)
Vật liệu của mảnh hợp kim không nhất thiết phải chon là carbide để gia công gang. Thực tế thì để gia công gang, người ta đã dùng mảnh hợp kim làm bằng vật liệu silicon nitride (Si3N4). Vật liệu slicon nitride đóng vai trò như là một ba-ri-e cản trở nhiệt truyền từ mặt sau của lưỡi cắt vào trong thân ổ.
Sử dụng mảnh hợp kim gốm sứ để gia công gang nhằm mục đích tăng thêm những ưu điểm về quá trình cắt gọt không có dung dịch trơn nguội (quá trình cắt khô). Trong thực tế, nếu như gia công ở tốc độ quá cao thì dùng mảnh hợp kim bằng sứ là tốt nhất.
Khi sử dụng phương pháp làm nguội, mặt dù vùng gia công phải được ngập trong dung dịch. Đối với việc phay chi tiết bánh răng làm bằng vật liệu titanium có độ bền cao, chúng ta làm nguội với một áp suất dung dịch nguội là khoảng 6,9 MPa thông qua trục chính giúp cho việc thoát phoi dễ dàng.
Tóm lại, nếu sử dụng mảnh hợp kim Si3N4, chúng ta phải ngâm trong dung dịch làm mát. Nếu sử dụng dung dịch trơn nguội kiểu phun hoặc sương mù thì sẽ gây nứt mảnh gốm do nhiệt. Thân ổ trục quay được che chắn kín, cho nên không ảnh hưởng đến việc làm mát.
Khi mảnh hợp kim có hình tròn thì lực cắt sẽ tăng. Tuy nhiên mảnh hợp kim quay gây ra lực tiếp tuyến và lực hướng kính bé hơn dao phay tiêu chuẩn. Vì thế công suất cắt thấp hơn và không đòi hỏi máy có độ cứng vững quá cao.
Phay và doa
Phay và doa là những nguyên công gia công trước đây để gia công những chi tiết trong bộ truyền động của động cơ. Cả thân và đầu động cơ đòi hỏi gia công phay, trong khi thân động cơ thì đề ra chiến lược là doa. Tuổi thọ của dụng cụ trong quá trình cắt là một vấn đề đặt ra, đặc biệt là ứng dụng gia công những chi tiết trong bộ truyền, mà ở đó dụng cụ thay đổi có thể đắt hơn. Thông thường thì tốc độ phải được giảm để kéo dài tuổi thọ của dụng cụ. Nhưng giảm tốc độ cắt có nghĩa là tải tác dụng lên phoi cao để duy trì tỷ lệ bóc vật liệu theo yêu cầu. Kết quả trong trường hợp này là lực gia công lớn cho nên cần thiết phải dùng thiết bị đồ gá có độ cứng vững cao. Sử dụng công nghệ mảnh hợp kim quay trong trường hợp này có thể giảm bớt một số vấn đề bởi việc cho phép cắt gọt ở tốc độ cao mà không làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt.
Khi doa thân động cơ bằng vật liệu gang cầu, những dao doa có mảnh hợp kim quay cắt gọt ở tốc độ khoảng 730(m/phút), và tăng tuổi thọ gấp 2 lần so với mảnh hợp kim truyền thống doa ở tốc độ 100(m/phút).
Dụng cụ mảnh hợp kim quay:
Dụng cụ mảnh hợp kim quay đóng một vai trò quan trọng trong việc gia công cắt gọt những vật liệu có độ bền cao. Một mũi doa được giới thiệu nhằm để giảm được năng lượng cần thiết trong quá trình doa xilanh động cơ.
Những công nhân ở Lamb Technicon đã sử dụng phần mềm để thiết kế và chế tạo một dụng cụ gồm có mảnh hợp kim quay có chế độ cắt khá cao. Những dụng cụ truyền thống không có hiệu quả kinh tế trong việc cắt gọt tốc độ lớn hơn 100 (vòng/ phút), bởi vì tốc độ này làm cho tuổi thọ của dụng cụ giảm nhanh chóng. Dụng cụ doa có mảnh hợp kim quay cho phép gia công gang cầu ở tốc độ mà đã sử dụng gia công đối với gang xám (khoảng 730 m/phút). Trong khi đó vẫn tăng tăng tuổi thọ gấp 2 lần so với dụng cụ truyền thống cắt ở tốc độ thấp.
Bề mặt gia công được tạo ra trong quá trình gia công thô tốt bằng bề mặt gia công tinh khi sử dụng dụng cụ truyền thống. Độ không tròn của lỗ doa nằm trong giới hạn cho phép. Để đạt được những điều này thì ổ trục quay của dụng cụ phải được cứng vững. Do đó dao doa có mảnh hợp kim quay không chỉ cắt gọt ở tốc độ cao mà còn gia công được gang cầu.
Thiết kế mảnh hợp kim quay
Ưu điểm của mảnh hợp kim quay hoàn toàn phụ thuộc vào thực tế mà ở đó mảnh hợp kim quay trong suốt quá trình cắt gọt và lực được sinh ra trong suốt quá trình này. Việc thiết kế dụng cụ mảnh hợp kim quay là rất phức tạp, bởi thực tế cho thấy rằng lực gia công tạo ra momen xoắn là một hàm phức tạp của một vài biến số và cần phải đủ lớn để thắng lực ma sát sinh ra trong ổ trục.
Lamb Technicon và trường đại học Michigan đã từng phát triển một dụng cụ thiết kế trên cơ sở mô hình yêu cầu mà ở đó cho phép dự đoán được momen xoắn và tốc độ mảnh hợp kim như là một hàm của góc nghiêng và góc lệch trục trục đối với vật liệu và chế độ cắt gọt.

www.meslab.org

Phương pháp mài

Việc ứng dụng mài là một nguyên công gia công lần cuối đã xuất hiện trước đây khoảng 2 triệu năm, khi mà những dụng cụ thời tiền sử được sản xuất bằng quá trình mài (chipping-abrade). Các hạt mài tự nhiên được sử dụng cho tới những năm 1980, khi mà các quặng được phát hiện và khai thác để chế tạo Al2O3 và SiC. Các hạt mài nhân tạo tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội so với hạt mài tự nhiên vì có thể khống chế lượng tạp chất trong đó, có thể điều khiển chất lượng của hạt mài trong quá trình sản xuất. Công nghiệp sản xuất hạt mài đã điều khiển được các tính chất như kích thước hạt, độ bền của hạt phù hợp với các ứng dụng mài khác nhau.
Trong Thế chiến thứ II, việc cung cấp không liên tục kim cương tự nhiên để làm đá mài đã thúc đẩy các nghiên cứu phát triển vật liệu thay thế chúng. Năm 1955, rất nhiều phát kiến trong việc phát triển vật liệu mài đã đưa đến thành công chế tạo kim cương nhân tạo. Rất nhanh sau đó, Nitrit Bor lập phương (CBN-Cubic Bor Nitride) được chế tạo. Kim cương và CBN nhân tạo được biết đến dưới tên Superabrasive bởi vì chúng có các tính chất tốt, đáp ứng được về độ cứng, độ bền mòn, độ bền nén và hệ số dẫn nhiệt, …
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và của ngành chế tạo máy nói riêng, ngày càng có nhiều loại vật liệu mới ra đời đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về cơ lí tính và các tính chất đặc biệt khác, tính gia công của các loại vật liệu này rất thấp (khó gia công), đồng thời các chi tiết có yêu cầu ngày càng cao về chất lượng cũng như độ chính xác. Do vậy phạm vi sử dụng của phương pháp mài ngày càng được mở rộng.
Trong ngành chế tạo máy hiện đại, mài chiếm một tỷ lệ rất lớn, máy mài chiếm khoảng 30% tổng số máy cắt kim loại. Đặc biệt là trong ngành chế tạo ổ bi, nguyên công mài chiếm khoảng 60% toàn bộ quy trình công nghệ.


Quá trình mài là quá trình cắt gọt của đá mài vào chi tiết, tạo ra rất nhiều phoi vụn do sự cắt và cào xước của các hạt mài vào vật liệu gia công. Mài có những đặc điểm khác với các phương pháp gia công khác:
+ Ở đá mài, các lưỡi cắt không giống nhau và sắp xếp lộn xộn trong chất dính kết.
+ Hình dáng hình học của mỗi hạt mài khác nhau (các góc độ, bán kính góc lượn ở đỉnh hạt mài, …), góc cắt thường lớn hơn 90 độ , góc trước âm, do đó không thuận lợi cho quá trình tạo phoi và thoát phoi.
+ Tốc độ cắt khi mài rất cao, cùng một lúc, trong thời gian ngắn có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt và tạo ra nhiều phoi vụn.
+ Độ cứng của hạt mài cao nên có thể cắt gọt được những loại vật liệu cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không gia công được hoặc gia công rất khó khăn như thép đã tôi, hợp kim cứng, …
+ Trong quá trình cắt, đá mài có khả năng tự mài sắc. Hạt mài có độ dòn cao, lưỡi cắt dễ bị vỡ vụn, tạo thành những lưỡi cắt mới hoặc bật ra khỏi chất dính kết để các hạt mài khác tham gia cắt.
+ Do có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt với góc trước âm và góc cắt lớn hơn 90 độ nên tạo ra ma sát rất lớn, quá trình cắt bằng đá mài gọi là quá trình “cắt – cào xước” làm cho nhiệt cắt rất lớn, chi tiết bị nung nóng rất nhanh (trên 1000 độC).
+ Lực mài tuy nhỏ nhưng diện tích tiếp xúc của đỉnh hạt mài với bề mặt gia công rất nhỏ nên lực cắt đơn vị rất lớn .
Trong quá trình mài tồn tại 3 hiện tượng: cắt (cutting), cày (ploughing) và trượt (rubbing) các hiện tượng này đồng thời xảy ra và phụ thuộc vào tương tác giữa hạt mài và vật liệu gia công.
Mài còn được gọi là dụng cụ cắt có lưỡi cắt không xác định, ko xác định vì ở đó có rất nhiều hiện tượng ngẫu nhiên, ko theo quy luật, ví dụ như thông số hình học của hạt mài, kích thước hạt, sự phân bố hạt trên bề mặt đá, sự vỡ ra của các hạt cũng như sự tách ra khỏi bề mặt đá của các hạt. Chính vì thế, việc nghiên cứu và điều khiển quá trình mài là hơi bị phức tạp so với các quá trình gia công khác.

TƯƠNG TÁC TRONG VÙNG MÀI

Để hiểu rõ bản chất của quá trình mài, cần phải phân tích quá trình tạo phoi khi mài, vì đây là cơ sở, là nguồn gốc của các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt như biến dạng, lực cắt, nhiệt cắt, … Để khảo sát được vấn đề này cần phải mô hình hóa quá trình cắt bằng hạt mài. Có nhiều mô hình đã được đưa ra, trong đó có mô hình dưới đây:

Như đã phân tích ở trên, mài là một quá trình rất phức tạp, các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt phụ thuộc lớn vào tương tác giữa hạt mài, giữa đá mài với vật liệu gia công (phôi). Có thể thấy rõ các tương tác đó trong quá trình cắt bằng hạt mài như hình sau:



Trong bất kì quá trình mài nào đều xuất hiện bốn tương tác sau:
– Tương tác giữa hạt mài và phôi.
– Tương tác giữa phoi và chất kết dính.
– Tương tác giữa phoi và phôi.
– Tương tác giữa chất kết dính và phôi.
Trong đó, tương tác giữa hạt mài và phôi là quan trọng nhất, có ảnh hưởng tới toàn bộ các hiện tượng vật lí xảy ra trong quá trình gia công (hình 01). Tương tác giữa hạt mài và phôi bao gồm 3 hiện tượng (hình 02): cắt (cutting) – tạo ra bề mặt gia công, cày (plowing) và trượt (rubbing) – ảnh hưởng tới các đặc trưng của bề mặt vừa được hình thành (Hiện tượng cày và trượt trong vùng mài còn được gọi là Tribology).
Các tương tác này đều có thể được kiểm soát và điều khiển thông qua các thông số như lực cắt, công suất cắt và nhiệt cắt. Trong quá trình mài, mong muốn công để cắt là lớn nhất, công tiêu hao cho hiện tượng “cày” và trượt là nhỏ nhất:
– Giảm thiểu công tiêu hao cho hiện tượng “cày” của hạt mài lên phôi (hình 02b) liên quan đến việc lựa chọn tính chất của hạt mài và vật liệu gia công, hình dạng và kích thước của hạt mài, chiều dày phoi hợp lý.
– Công tiêu hao cho hiện tượng trượt giữa hạt mài và phôi (hình 02c) nhỏ nhất khi tăng tính tự mài sắc của hạt mài và của đá mài.
– Hiện tượng trượt giữa phoi với chất kết dính (hình 02d) là nhỏ nhất khi lựa chọn cặp vật liệu chất kết dính và vật liệu gia công phù hợp. Thay dung dịch làm nguội, tăng độ xốp của đá mài, sử dụng thêm dung dịch bôi trơn cũng làm giảm hiện tượng trượt này.
– Giảm hiện tượng trượt giữa phoi và chất kết dính cũng làm giảm đồng thời hiện tượng trượt giữa phôi và chất kết dính (hình 02e). Trong thực tế, hai hiện tượng này thường bị bỏ qua, không được quan tâm, điều đó dẫn đến lực cắt lớn, đá mòn nhanh và chất lượng bề mặt gia công không cao.
– Hiện tượng trượt giữa chất dính kết và phôi (hình 02f) nhỏ nhất khi số lượng lỗ trống trên bề mặt đá nhiều nhất (cấu trúc đá xốp nhất) hoặc khi sử dụng chất dính kết gốm. Tuy nhiên, hiện tượng trượt được nhận thấy rõ rệt nhất khi sử dụng đá mài với chất kết dính kim loại. Hiện tượng trượt và ma sát giữa phôi với chất kết dính trở nên khốc liệt nhất khi sử dụng đá mài hạt nhỏ, khi đó khoảng cách giữa bề mặt phôi và chất dính kết rất nhỏ.
Cơ chế cắt và tribology sẽ ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt gia công, biến dạng của vật liệu lớp bề mặt hoặc sự chuyển hóa từ cơ năng thành nhiệt. Khi cơ chế cắt là lớn nhất và tribology là nhỏ nhất thì khi đó lực mài và nhiệt mài sẽ nhỏ nhất. Dung dịch làm nguội sẽ giảm năng lượng nhiệt và làm giảm nhiệt truyền vào phôi.
Tất cả các hiện tượng trên đều đúng với mọi quá trình mài, mà không phụ thuộc vào vật liệu gia công. Trong bất kì quá trình mài nào cũng xảy ra đồng thời các hiện tượng đó. Do vậy, khoa học về mài cần phải nghiên cứu sự ảnh hưởng đồng thời của cả 4 thông số đầu vào: các yếu tố về máy công cụ, các yếu tố về vật liệu gia công, các yếu tố về đá mài và các thông số công nghệ của quá trình. Mục đích là để điều khiển sao cho cơ chế cắt là lớn nhất, giảm thiểu cơ chế tribology, nhằm giảm lực và nhiệt cắt.

Quá trình tạo phoi của một hạt mài:

Mũi dao có bán kính cong rô (xin lỗi ko có kí hiệu rô), đồng thời do góc ăn tới của lưỡi cắt nhỏ nên giai đoạn đầu không tạo phoi mà vật liệu gia công bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, bị đẩy sang hai bên của lưỡi cắt hoặc chảy qua mặt dưới của lưỡi cắt sang mặt sau của hạt mài.
Khi lưỡi cắt tiếp tục ăn sâu vào chi tiết thì chiều dày phoi az tương ứng với chiều sâu vết cắt t và lúc này bắt đầu tạo phoi. Tiếp theo là quá trình tạo phoi, kim loại bị dồn ép và bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo đồng thời. Do đó chiều dày phoi thực az nhỏ hơn chiều sâu cắt thực tế t.  Nguồn: www.meslab.org

Kỹ thuật ngược

1. Mở đầu
Từ những năm 90 của thế kỷ trước, kỹ thuật ngược (Reverse Engineering) đã được nghiên cứu áp dụng trong lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế các mô hình 3D từ mô hình cũ đã có nhờ sự trợ giúp của máy tính. Kỹ thuật ngược ngày càng phát triển theo sự phát triển của máy quét hình và các phần mềm CAD/CAM.
Vậy kỹ thuật ngược là gì?
Thông thường để gia công chế tạo sản phẩm thì người ta thiết kế mô hình CAD rồi đem sang máy công cụ để gia công. Trong thực tế, đôi khi người ta cần chế tạo theo những mẫu có sẵn mà chưa (hoặc không) có mô hình CAD tương ứng (đồ cổ chẳng hạn), những chi tiết đã ngừng sản xuất từ lâu, những chi tiết không rõ xuất xứ, những phù điêu, bộ phận con người, động vật, … Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta đo đạc rồi vẽ phác lại hoặc dùng sáp, thạch cao để in mẫu. Các phương pháp này cho độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là những chi tiết phức tạp. Ngày nay người ta đã sử dụng máy quéy hình để quét hình dáng của chi tiết sau đó nhờ các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ liệu quét và cuối cùng sẽ tạo được mô hình CAD 3D với độ chính xác cao. Mô hình 3D này có thể được chỉnh sửa nếu cần. Ngoài việc tái sử dụng sản phẩm, kỹ thuật ngược còn có một số ứng dụng sau:
– Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD và sản phẩm, từ đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu.
– Mô hình CAD được sử dụng như là mô hình trung gian trong quá trình thiết kế bằng cách tạo sản phẩm bằng tay trên đất sét, thạch cao, sáp …. rồi quét hình để tạo mô hình CAD. Từ mô hình CAD này người ta sẽ chỉnh sửa theo ý muốn.
2. Quy trình kỹ thuật ngược
Quy trình kỹ thuật ngược có thể được chia làm các giai đoạn sau:
a. Giai đoạn quét hình:
Dùng máy quét hình để quét hình dáng của vật thể. Có thể dùng máy quét dạng tiếp xúc(như máy đo toạ độ Coordinate Measuring Machine -CMM) hoặc máy quét dạng không tiếp xúc (máy quét laser)
Khi sử dụng máy CMM thì đầu dò tiếp xúc với bề mặt cần đo. Mỗi vị trí đo sẽ cho một điểm có toạ độ (x, y, z). Tập hợp các điểm đo sẽ cho một đám mây các điểm.
Khi sử dụng máy quét laser thì chùm tia laser từ máy chiếu vào vật thể sẽ phản xạ trở lại cảm biến thu. Hình dạng của toàn bộ vật thể được ghi lại bằng cách dịch chuyển hay quay vật thể trong chùm ánh sáng hoặc quét chùm ánh sáng ngang qua vật. Phương pháp này cho độ chính xác kém hơn phương pháp tiếp xúc.
Cả 2 phương pháp đều cho dữ liệu vì chi tiết gồm tập các điểm (đám mây điểm). Đám mây điểm này phải được chuyển sang dạng lưới tam giác để xây dựng mặt.
b. Giai đoạn xây dựng mặt :
Giai đoạn này bao gồm 3 bước:
1. Xây dựng lưới tam giác từ đám mây điểm.
2. Đơn giản hoá lưới tam giác bằng cách giảm số lượng tam giác và tối ưu hoá vị trí các đỉnh và cách kết nối các cạnh của mỗi tam giác trong lưới sao cho các đặc điểm hình học không thay đổi.
3. Chia nhỏ lưới (đã được đơn giản hoá) để tạo bề mặt trơn theo ý muốn.
Kết quả là ta được một bề mặt trơn và được chuyển thành file CAD với các định dạng như : IGES, DXF, STL …
Các hình sau đây mô tả một số công đoạn quét hình đầu người :

c. Tạo mẫu :
Từ dữ liệu mô hình CAD, có thể áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) để tạo mẫu sản phẩm. Cũng có thể tạo mẫu trên máy phay CNC, khi đó phải lập trình NC nhờ các phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp như Cimatron, Pro/Engineer, GibCAM…để tạo ra các đường chạy dao. Hình sau đây minh hoạ quá trình phay mẫu mặt người trên máy phay CNC.

3. Phần mềm hỗ trợ
Các nhà chế tạo máy CMM khác nhau có những phần mềm chuyên dụng khác nhau. Các hãng phần mềm CAD/CAM cũng có modun tương tự trong phần mềm của mình để hỗ trợ cho việc quét hình và xử lý dữ liệu. Sau đây là một số phần mềm thông dụng :
– GEOPARK-WIN của hãng Mitutoyo : Phần mềm này đi kèm theo các máy CMM của hãng. Có thể xuất dữ liệu ở nhiều kiểu định dạng khác nhau, trong đó có 2 kiểu đáng chú ý là .gws (định dạng ASCII) và .igs (định dạng polyline).
– CopyCAD : của hãng DELCAM.
– TRACECUT : của hãng Renishaw
– GAGE2000R :Của hãng Brown and Shape
– Pro/Scan : một modun của phần mềm Pro/Engineer (hãng PTC).
Nguồn: Tập san Chế tạo máy số 2 – NTU

www.meslab.org

Phương pháp tạo mẫu nhanh SLA

 Phương pháp tạo mẫu nhanh SLA (Stereo Lithography Aparatus) được phát minh bởi Charles Hull vào năm 1984 và được phát triển bởi công ty 3D Systems – Mỹ (thành lập năm 1996 Charles W. Hull và Raymond – S – Freed) . Họ sản phẩm tạo mẫu nhanh SLA của hãng này bao gồm:
– Viper Pro SLA, Viper SLA, Viper HA SLA
– SLA-190, SLA -250, SLA-350, SLA- 500, SLA-700, SLA 3500, SLA 5000, SLA – 7000.

Thiết bị SLA – 190 là thiết bị đầu tiên của phương pháp tạo mẫu nhanh và sử dụng tia laser He-Cd. Thiết bị SLA –sử dụng tia laser He-Cd. Thiết bị SLA – 350 sử dụng laser ở trạng thái rắn Nd: YVO4 . Thiết bị SLA – 500 sử dụng tia laser Argon-ion rất mạnh.
Tất cả các thiết bị đều sử dụng chung một loại vật liệu sản xuất là loại nhựa lỏng có khả năng đông đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như: tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phóng xạ của trường điện từ, … như expoxy, actylates, … Tên thương mại của các loại nhựa này là: Accura 60 plastic, Accura 25 plastic, Accura 10 plastic, Accura 50 Natural plastic, Accura 50 Grey plastic, Accura Bluestone nano-composite plastic, Accura 45HC plastic…
Qúa trình tạo mẫu bằng phương pháp SLA được trải qua 5 giai đoạn như sau:
-Tạo mô hình CAD 3D.
-Tạo file dữ liệu .STL.
-Kiểm tra.
-Tạo mẫu.
-Hậu xử lý.
Nguyên lý làm việc
Đầu tiên người ta đặt thiết bị nâng cách bề mặt chất lỏng một khoảng bằng với độ dày của lớp vật liệu đầu tiên (tức là lớp nằm dưới cùng). Sau đó, chùm tia laser được điều khiển bằng máy tính thông qua hệ thống quét bằng quang học sẽ quét lên bề mặt theo những tiết diện của từng mặt cắt. Vật liệu lỏng khi bị tác động của chùm tia laser sẽ bị đông đặc lại hoặc là được xử lý. Sau đó, Cơ cấu nâng được dịch chuyển xuống phía dưới một đoạn đúng bằng chiều dày của một lớp và quá trình được lặp lại. Các lớp liên kết lại với nhau thành khối. Cuối cùng vật thể được lấy ra từ thùng đựng chất lỏng và chất lỏng còn lại thông thường được xử lý trong lò nung đặc biệt.
Bởi vì chi tiết được tạo thành trong môi trường chất lỏng và bên trong vật thể còn chứa chất lỏng polyme, do đó cần thiết phải thêm các kết cấu trợ giúp để tăng độ cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng không bị nổi lên hoặc không bị trôi nổi tự do ở trong thùng.

Sau khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua một loạt các quá trình hậu xử lý để làm sạch, gỡ bỏ cơ cấu trợ giúp…
Ưu, nhược điểm
Ưu điểm:
-Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động.
-Độ chính xác kích thước cao +/-0.1 mm.
-Độ bóng bề mặt cao.
-Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp.
-Với sự hổ trợ của phần mềm chuyên dụng QuickCast cho phép tạo mẫu cho quá trình đúc khuôn kim loại nhanh chóng và chính xác.
Nhược điểm:
-Sản phẩm bị cong vênh.
-Giá thành hơi cao.
-Vật liệu sử dụng bị hạn chế.
-Phải qua giai đoạn hậu xử lý.
-Chi phí vận hành và bảo trì cao.

Sâu đây là hình ảnh của một số sản phẩm được tạo bởi phương pháp này

Tài liệu tham khảo:
http://www.3dsystems.com
– RAPID PROTOTYPING Principles and Applications – C K Chua, K F Leong & C S Lim (Nanyang Technological University, Singapore)

nguồn: www.meslab.org

Động cơ ôtô hoạt động ra sao?

Bạn đã bao giờ mở nắp ca-pô chiếc ôtô của mình và tự hỏi cái gì xảy ra trong động cơ của nó chưa? Có thể bạn không hiếu kỳ và không muốn biết tường tận điều đó. Thế nhưng khi mua một chiếc xe mới chắc chắn bạn cũng cần phải biết 3.0 V6 hay 2.4 G… nghĩa là gì? “Dual overhead cams” hay “tuned port fuel injection” là thế nào?… Để trả lời cho các câu hỏi trên, chúng ta hãy tìm hiểu về động cơ của ôtô.

Mục đích của động cơ ôtô (thường sử dụng nhiên liệu xăng hoặc dầu diesel – tạm gọi là động cơ) là chuyển đổi năng lượng sinh ra từ quá trình đốt cháy xăng, dầu thành năng lượng cơ học để chiếc xe của bạn có thể chuyển động được. Do quá trình cháy diễn ra bên trong xilanh nên động cơ này được gọi là động cơ đốt trong.


Động cơ Maybach 57

Trên thực tế, có cả loại động cơ đốt ngoài. Ví dụ như động cơ hơi nước sử dụng trên xe lửa cổ điển là loại động cơ đốt ngoài. Loại nhiên liệu như than, gỗ, dầu, … được sử dụng trên động cơ hơi nước để tạo ra nhiệt năng đun nước sôi thành hơi nước và chính hơi nước này lại tạo nên chuyển động bên trong động cơ. Hiệu suất của động cơ đốt trong cao hơn động cơ đốt ngoài (tức là cùng quãng đường như nhau, động cơ đốt trong tốn ít nhiên liệu hơn động cơ đốt ngoài), thêm nữa động cơ đốt trong có kích thước nhỏ hơn nhiều so với động cơ đốt ngoài tương đương. Đó là lý do tại sao ôtô lại sử dụng động cơ đốt trong.
Hầu hết các xe ôtô hiện nay sử dụng động cơ đốt trong loại piston chuyển động tịnh tiến do có các ưu điểm:
Hiệu suất khá cao (so với động cơ đốt ngoài)
Chi phí sử dụng vừa phải (so với động cơ tuabin khí)
Dễ dàng tiếp nhiên liệu duy trì hành trình (so với động cơ điện)
Những ưu điểm này làm cho động cơ đốt trong là công nghệ hầu như là duy nhất hơn 100 năm qua.

Để rõ hơn về nguyên lý hoạt động, chúng ta hãy tìm hiểu những điều cơ bản nhất về động cơ đốt trong.

Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong


Mô phỏng quá trình bắn của khẩu súng đại bác

Trước hết, một ví dụ đơn giản nhất về động cơ đốt trong chính là khẩu súng đại bác. Khẩu súng là một ống hình trụ được bịt kín một đầu. Người ta nhồi thuốc súng vào lòng nòng súng sau đó cho một viên đạn (hình dạng hình trụ có đầu nhọn) để bịt kín hoàn toàn khối thuốc súng. Khi bắn, người ta châm lửa đốt cho khối thuốc súng cháy. Lượng khí sinh ra tức thời rất lớn làm áp suất trong nòng súng tăng mạnh đẩy viên đạn bắn ra khỏi nòng súng. Động cơ của các xe  ôtô chính là một cơ cấu cơ khí tận dụng được năng lượng đó và chuyển hoá thành chuyển động quay cho trục khuỷu của động cơ.

Hầu hết các xe ôtô hiện nay đang sử dụng loại động cơ 4 kỳ (do Nicolaus Otto phát minh năm 1867). 4 kỳ của động cơ đốt trong được minh hoạ ở hình 1. Chúng gồm có:

Kỳ hút (nạp)
– Kỳ nén
– Kỳ cháy (nổ)
– Kỳ xả

Chúng ta có thể nhìn thấy chi tiết đang chuyển động lên xuống trong động cơ, đó là piston. Piston được nối với trục khuỷu nhờ thanh truyền. Toàn bộ quá trình của 4 kỳ có thể miêu tả như sau:

1. Vị trí xuất phát đầu tiên của piston là ở trên đỉnh, lúc này van (xuppap) nạp mở ra và piston chuyển động xuống dưới để lượng hỗn hợp không khí và các hạt xăng nhỏ (gọi tắt là hỗn hợp khí) nạp đầy vào trong xi lanh (phần 1-màu vàng).

2. Khi piston chuyển động lên trên để nén khối không khí đã hoà trộn các hạt xăng nhỏ li ti. Việc nén không khí lại sẽ làm cho hiệu quả của việc đốt cháy không khí tăng thêm nhiều (phần 2-màu tím).

3. Khi piston chạm tới đỉnh (điểm chết trên) của hành trình đi lên, nến điện phát tia lửa đốt cháy xăng hoà trộn trong không khí. Lúc này hơi xăng cháy tức thời đã tạo nên sự nổ ở trong xilanh đẩy piston đi xuống (phần 3-màu đỏ).

4. Khi piston đã ở điểm dưới cùng (điểm chết dưới), van (xuppap) xả mở ra và khi piston đi lên sẽ đẩy toàn bộ lượng khí trong xi lanh ra ngoài qua ống xả (phần 4-màu xanh).

Bây giờ, động cơ lại sẵn sàng cho chu trình tiếp theo và nó lại tiếp tục nạp hỗn hợp khí và hơi xăng. Lưu ý rằng, chuyển động của động cơ là chuyển động quay của trục khuỷu, còn chuyển động của piston lại là chuyển động tịnh tiến. Để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay cần nhờ đến trục khuỷu. Bây giờ chúng ta cùng xem xét sự ghép nối và phối hợp làm việc của các bộ phận trong động cơ như thế nào?

Phần cốt lõi của động cơ là xilanh và piston chuyển động lên xuống trong đó. Động cơ mô tả trên đây là loại động cơ một xilanh. Thế nhưng đa số động cơ ôtô hiện nay không chỉ có một xilanh mà có tới 4, 6 hoặc 8 xilanh, 12 hay 16. Đối với động cơ nhiều xilanh, các xilanh được sắp xếp thành một trong những cách sau: thành một hàng dọc (xilanh xếp thẳng hàng), thành hình chữ V (xilanh xếp hình chữ V) , hai xilanh xếp đối nhau nằm ngang (xilanh xếp đối đỉnh) hoặc hình sao (động cơ máy bay) như hình vẽ minh hoạ dưới đây.


Mô phỏng hoạt động của động cơ 4 xilanh, thẳng hàng


Mô phỏng hoạt động của động cơ 6 xilanh, xếp hình chữ V (V6)


Mô phỏng hoạt động của động cơ 4 xilanh, đối đỉnh

Mỗi cách sắp xếp có những ưu, nhược điểm riêng về độ êm dịu khi hoạt động, giá thành sản xuất, hình dạng kết cấu. Những ưu, nhược điểm của từng loại sẽ làm cho chúng phù hợp với từng loại phương tiện giao thông. Ví dụ: động cơ chữ V hoặc 1 hàng dọc và  ít xilanh thường sử dụng cho ôtô, động cơ 1 hàng dọc và nhiều xi lanh thường được dùng cho tàu thuỷ còn động cơ hình sao thì thường dùng trên máy bay,...

Các thuật ngữ thường dùng trong động cơ

Đầu tiên là “dung tích xi lanh”. Buồng cháy là khoảng không gian mà kỳ nén và kỳ xả xảy ra. Khi piston chuyển động lên và xuống, bạn có thể thấy kích cỡ của buồng cháy thay đổi. Nó có thể là thể tích lớn nhất hoặc nhỏ nhất. Hiệu số giữa thể tích lớn nhất và thể tích nhỏ nhất được gọi là dung tích xi lanh và được đo bằng lít hoặc cc (cubic Centimeter – 1000 cc bằng 1 lít).

Dưới đây là một số ví dụ:Một cưa máy cần có một động cơ khoảng 40 cc
Một xe môtô cần động cơ khoảng 500 cc hoặc 750 cc
Một xe ôtô thể thao cần động cơ lớn hơn nữa, khoảng 5 lít.
Đa số xe ôtô bình thường cần động cơ từ 1.5 lít (1500 cc) đến 4.0 lít (4000 cc)

Nếu bạn có một động cơ 4 xilanh và mỗi xilanh có dung tích khoảng nửa lít thì động cơ của bạn có dung tích 2.0 lít. Nếu mỗi xilanh là nửa lít nhưng động cơ có 6 xilanh xếp thành hình chữ V thì động cơ của bạn có dung tích 3.0 lít và người ta thường ký hiệu là động cơ 3.0 V6. Thông thường dung tích xilanh cho bạn biết về công suất của động cơ. Một xilanh dung tích 0.5 lít có thể chứa lượng hỗn hợp khí gấp đôi một xilanh dung tích 0.25 lít. Vì vậy động cơ 2.0 lít có thể chỉ cho công suất bằng một nửa động cơ 4.0 lít. Có thể tăng dung tích xilanh bằng cách tăng số lượng xilanh của động cơ hoặc tăng thể tích buồng cháy của từng xilanh.

Chắc hẳn bạn đã nhìn thấy động cơ xe của bạn có rất nhiều hệ thống phụ giúp cho nó hoạt động. Hầu hết các hệ thống phụ trợ được thiết kế với những công nghệ khác nhau. Hệ thống phụ càng hiện đại thì hiệu suất của động cơ càng cao và ngược lại. Sau đây chúng ta cùng xem xét một số hệ thống phụ được lắp đặt trên động cơ hiện đại.

Bugi

Nến điện dùng để cung cấp tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí tạo nên sự cháy trong động cơ. Nến điện cần phải đánh lửa đúng thời điểm để hiệu suất của kỳ nổ đạt cao nhất. (xem bài hệ thống đánh lửa trên ô tô).

Xu-páp (van xả, hút)


Mô phỏng hoạt động của cơ cấu phối khí

Các xu-páp hút và xả cần phải được mở ra đúng thời điểm để lượng không khí nạp vào xilanh nhiều nhất và thải sạch lượng khí cháy trong xilanh ra đường xả. Chú ý rằng, các xu-páp nạp và thải đều đóng ở kỳ nén và nổ để buồng cháy được bịt kín.

Piston

Piston có dạng hình trụ được chế tạo bằng kim loại và chuyển động lên xuống trong xi-lanh.

Xéc-măng

Xéc-măng có nhiệm vụ làm kín phần khe hở giữa piston và xilanh. Xéc-măng đáp ứng hai mục đích:
– Chống được sự lọt khí trong quá trình nén và nổ (loại xéc-măng này còn được gọi là xéc măng hơi).
– Ngăn chặn không cho dầu bôi trơn lọt lên buồng cháy vì nếu dầu lọt lên buồng cháy thì sẽ bị đốt và do vậy lượng tiêu hao dầu bôi trơn sẽ rất lớn đồng thởi làm giảm hiệu suất cháy (loại này được gọi là xéc-măng dầu).
Đối với đa số các xe cũ, tiêu thụ dầu nhờn tăng lên vì xéc-măng dầu bị mòn nên dầu nhờn bị lọt lên buồng cháy và cháy lẫn với hòa khí.

Thanh truyền (tay biên)

Thanh truyền dùng để nối piston với trục khuỷu của động cơ. Chúng chuyển động vừa quay vừa tịnh tiến để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu 

Trục khuỷu (trục cơ)


Trục cơ

Trục khuỷu dùng để biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay giống như trục ở bộ bánh vít – trục vít.

Hộp trục khuỷu (các te)

Hộp trục khuỷu bao quanh trục khuỷu và dùng để chứa dầu bôi trơn.

Hệ thống phân phối khí (hệ thống nạp, thải)

Hệ thống phân phối khí gồm các xu-páp và một hệ cơ khí điều khiển chúng đóng mở đúng thời điểm. Hệ thống đóng, mở được gọi là trục cam. Trục cam có các vấu cam đẩy các xu-páp lên và xuống.


Chi tiết (trục cam, vòi phun… ) trong cơ cấu phối khí

Đa số các động cơ hiện đại sử dụng trục cam đặt trên nắp máy, tức là trục cam được đặt trên các xu-páp, như bạn nhìn thấy ở hình 5. Các vấu cam trên trục cam tác động trực tiếp lên các xu-páp hoặc thông qua một vật liên kết ngắn. Các động cơ cổ điển sử dụng loại trục cam đặt phía dưới gần trục khuỷu. Các thanh nối (còn gọi là đũa đẩy) sẽ truyền lực nâng của vấu cam đến các xu-páp qua các đòn bẩy (còn gọi là “dàn cò”).

 
Trục cam, xu-páp, lò xo, con đội…

Việc dẫn động trục cam quay nhờ dây đai, dây xích hoặc bánh răng truyền chuyển động của trục khuỷu đến để việc đóng mở các xu-páp đồng bộ với chuyển động của piston. Đối với động cơ bốn kỳ, khi trục khuỷu quay được hai vòng thì trục cam mới quay được một vòng.

 
Xích dẫn động trục cam và bánh răng cam

Đa số các động cơ hiệu suất cao hiện nay sử dụng 4 xu-páp trên một xi lanh ( hai nạp, hai xả) và do vậy cần tới hai trục cam cho một hàng xi-lanh. Điều này dẫn đến thuật ngữ “dual overhead cams (DOHC)” tức là hai trục cam đặt trên nắp xilanh.

Hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa có tác dụng sinh ra nguồn điện cao áp và đưa đến nến điện sinh ra tia lửa đốt cháy nhiên liệu. Bạn dễ dàng tìm ngay ra hệ thống đánh lửa nhờ bộ phân phối điện (chia điện). Bộ chia điện có một đường dây cao áp nối vào trung tâm (còn gọi là dây cao áp chính) và có 4, 6 hoặc 8 dây cao áp nối với các bugi (gọi là dây cao áp con, số dây cao áp con phụ thuộc vào số xilanh của động cơ). Bộ chia điện sẽ phân phối cho mỗi xilanh nhận được nguồn điện cao áp một lần trong một chu trình vào đúng thời điểm thích hợp của kỳ nén để quá trình cháy hoàn hảo nhất, động cơ sẽ hoạt động hiệu quả và êm dịu nhất.

Hệ thống làm mát

Hệ thống làm mát trên xe hơi gồm có bộ tản nhiệt (két nước làm mát) và bơm nước cùng các ống dẫn và cảm biến nhiệt độ. Nước được luân chuyển trong động cơ và đi ra ngoài tới két mát để làm lạnh. Một số xe ôtô, trong đó có Volswagen Beetles và các xe mô tô hay máy cắt cỏ, động cơ được làm mát bằng không khí (các động cơ này rất dễ nhận ra bởi các cánh tản nhiệt bên ngoài mỗi xi lanh). Tản nhiệt không khí có ưu điểm là trọng lượng của động cơ nhẹ hơn nhưng mức độ tản nhiệt kém hơn làm mát bằng nước nên nhiệt độ động cơ nóng hơn, hiệu suất và tuổi thọ giảm đi.

Hệ thống nạp và hệ thống khởi động

Đa số các xe ôtô sử dụng hệ thống nạp bình thường (tức là hút khí tự nhiên nhờ độ chênh áp giữa áp suất của không khí bên ngoài và độ chân không trong xilanh). Đối với các ôtô hiện đại, để tăng hiệu suất động cơ người ta sử dụng hệ thống nạp khí Turbocharged hoặc Supercharged để tăng lượng không khí nạp vào động cơ đồng thời tăng mức độ hoà trộn không khí và nhiên liệu giúp cho áp suất nén tăng lên, quá trình cháy hoàn hảo hơn và hiệu suất cao hơn. Bộ Turbocharged sử dụng một tuabin nhỏ nhờ năng lượng của dòng khí thải làm quay máy nén khí còn bộ Supercharged lại sử dụng trực tiếp nguồn công suất của động cơ để làm quay máy nén khí.


Chi tiết cánh Tua-bin trong cơ cấu tăng áp Turbocharged

Hệ thống khởi động gồm có một động cơ điện và một cuộn dây khởi động từ. Khi bạn bật khoá điện khởi động, động cơ điện làm quay trục khuỷu động cơ vài vòng để tạo nên quá trình nén, nổ. Động cơ khởi động cần phải thắng được những sức cản sau:

– Toàn bộ lực ma sát của động cơ
– Lực nén của xilanh động cơ (đối với xilanh nào đó đang ở quá trình nén)
Phần năng lượng để trục cam đóng và mở xu-páp
Tất cả những hệ thống phụ khác như bơm nước làm mát, bơm dầu, máy phát điện,…

Vì nguồn điện từ ắc quy của xe chỉ là 12 V trong đó công suất của động cơ điện lại phải rất lớn để thắng được những lực cản trên đây, nên dòng điện sử dụng cho động cơ điện khá cao. Để tăng độ bền cho hệ thống khởi động cần phải giảm tải cho khoá điện bằng cách sử dụng khởi động từ đóng mở dòng điện vào động cơ điện. Như vậy khi bạn bật khoá điện khởi động động cơ, bạn đã cấp điện cho khởi động từ làm việc để đóng mở nguồn điện cho máy khởi động.

Hệ thống bôi trơn


Thân xilanh

Hệ thống bôi trơn có tác dụng đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt của các chi tiết chuyển động của động cơ để chúng di chuyển dễ dàng hơn. Có hai cụm chi tiết chính cần bôi trơn, đó là piston và các ổ bi hoặc bạc trục khuỷu và trục cam của động cơ. Đối với đa số động cơ, dầu bôi trơn được hút từ bình chứa dầu sau đó qua bộ lọc và được nén dưới áp suất cao đến các bề mặt bạc lót và thành xilanh. Sau đó lượng dầu này lại chảy về đáy các-te để tiếp tục một chu trình tuần hoàn mới.

Hệ thống nhiên liệu

Hệ thống nhiên liệu bơm nhiên liệu từ thùng và trộn chúng với không khí để tạo điều kiện cháy tốt nhất trong lòng xilanh. Hệ thống nhiên liệu được chia thành 3 loại: Chế hòa khí, phun nhiên liệu gián tiếp và phun nhiên liệu trực tiếp.

Hệ thống chế hòa khí có tác dụng hoà trộn không khí với nhiên liệu ngay khi không khí được hút vào trong xilanh.

Trong động cơ phun xăng, một lượng nhiên liệu phù hợp nhất được phun trực tiếp vào trong xilanh của động cơ (direct fuel injection) hoặc phun vào đường ống nạp chung (port fuel injection).

Hệ thống xả

Hệ thống xả bao gồm đường ống xả và bộ giảm thanh. Nếu không có bộ giảm thanh thì bạn sẽ nghe thấy âm thanh của hàng ngàn tiếng nổ thoát ra từ đường ống xả. Bộ giảm thanh sẽ làm giảm âm lượng tiếng nổ của động cơ. Hệ thống xả còn có bộ lọc xúc tác nhằm lọc bớt các chất độc hại của khí thải trước khi thải chúng ra ngoài môi trường.

Hệ thống điều khiển chất thải

Hệ thống điều khiển chất thải ở các xe hơi hiện đại gồm có một bộ lọc xúc tác, một hệ thống cảm biến và các cơ cấu chấp hành, một máy tính để giám sát và điều chỉnh hoạt động của các bộ phận. Ví dụ, bộ lọc xúc tác sử dụng chất xúc tác và oxy để đốt cháy hết toàn bộ lượng nhiên liệu và các chất hoá học khác còn sót lại trên đường ống xả. Một cảm biến oxy đặt trong dòng chảy của khí xả sẽ báo cho máy tính điều chỉnh lượng oxy phù hợp.

Hệ thống điện

Hệ thống điện gồm có nguồn điện (ắc quy) và máy phát điện. Máy phát điện dẫn động bằng dây đai và sinh ra điện năng để nạp cho ắc quy. Nguồn điện 12 vôn của ắc quy sẽ cung cấp cho toàn bộ hệ thống điện như hệ thống đánh lửa, radio, đèn pha, bộ rửa kính điện, hệ thống đóng cửa điện,… nhờ hệ thống dây điện của xe.

%d bloggers like this: