BCKH: Phân tích lựa chọn phương pháp hàn đắp khi phục hồi trục khuỷu của động cơ đốt trong

Posted on Updated on

1. Đặt vấn đề

Trục khuỷu là một bộ phận trong động cơ đốt trong, có nhiệm vụ biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục. Trên trục khuỷu ngoài các cổ chính trùng với tâm quay của trục còn có các bậc trục lệch tâm để lắp với tay biên, gọi là các cổ biên. Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, trục khuỷu nhận nhiệm vụ nhận lực từ piston tác dụng lên tay biên tạo mô men quay cho trục dẫn ra như trục ly hợp, hộp số, đồng thời tiếp nhận năng lượng tích trữ tại bánh đà tạo thành lực đẩy cho piston lên, xuống thực hiện các chu trình làm việc của động cơ. Các cổ biên liên tục tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với bạc biên qua màng dầu bôi trơn làm việc trong điều kiện ma sát, va đập, nung nóng, ngoài ra nó còn bị ô xy hóa, ăn mòn bởi dầu bôi trơn. Nhất là trong quá trình vận hành vì một lý do nào đó mà màng dầu bôi trơn không còn tác dụng hoặc tác dụng kém thì ma sát tại vùng tiếp xúc giữa cổ biên với bạc biên là rất lớn. Do đó, bề mặt làm việc của cổ biên thường bị mòn, nứt sinh ra các tải trọng động, va đập làm giảm công suất, hiệu suất, cũng như tăng tiêu hao nhiên liệu khi vận hành, giảm độ tin cậy làm việc của động cơ. Vì vậy những trục khuỷu mòn phải được thay mới hoặc sửa chữa lại theo tiêu chuẩn. Để thay thế mới trục khuỷu này rất tốn kém về kinh tế, do đó người ta thường phục hồi nó bằng phương pháp hàn đắp, sau đó gia công cắt gọt để phục hồi lại kích thước ban đầu. Vì trục khuỷu sau khi phục hồi theo tiêu chuẩn bằng phương pháp hàn đắp có tuổi thọ tương đương với trục khuỷu mới và giá thành phục hồi rẻ hơn nhiều so với chế tạo mới, cũng như chủ động cung cấp phụ tùng thay thế kịp thời cho thiết bị phục vụ sản xuất mà không phụ thuộc nhiều vào việc nhập ngoại cũng như chế tạo mới.

2. Cấu tạo của trục khuỷu và các yêu cầu kỹ thuật

Trục khuỷu của động cơ đốt trong được cấu tạo bởi các bộ phận chính là các cổ chính và cổ biên. Theo [1], nó có các điều kiện kỹ thuật sau :

– Cổ chính và cổ biên cần gia công đạt cấp chính xác 7;

– Độ nhám bề mặt cổ Ra = 0,63 – 0,16;

– Độ không song song giữa tâm cổ chính và tâm cổ biên không quá 0,01 – 0,03mm trên chiều dài cổ biên;

– Yêu cầu cân bằng động, độ không cân bằng cho phép 15 – 30g.cm;

– Độ cứng bề mặt các cổ trục 52 – 62 HRC;

– Vật liệu chế tạo là thép 40Cr; C45 hoặc tương đương. Các thành phần hóa học và cơ tính cho ở bảng 1 và bảng 2, theo [3], [4].

Bảng 1. Thành phần hóa học của thép 40Cr và C45

Mác thép Hàm lượng của các nguyên tố hóa học (%)
C Cr Mn Ni Si S P
40Cr 0,36-0,44 0,8-1,1 0,5-0,8 <0,3 0,17-0,37 <0,035 <0,035
C45 0,42~0,50 £ 0,25 0,50~0,80 £ 0,25 0,17~0,37 <0,04 <0,035

Bảng 2. Cơ tính của thép 40Cr và C45 sau khi nhiệt luyện hóa tốt phôi

Mác thép Đường kính trục(mm) Giới hạn bền () Giới hạn bền chảy Độ giãn dài tương đối   Độ dai va đập
40Cr <100 750 520 15 600
<50 800-950 650-750 10 600
C45 180-250 650-750 350 16 490
90-120 700-800 400 10 490

 

3. Một số phương pháp hàn đắp thường dùng khi phục hồi chi tiết mòn, theo [2]

3.1. Hàn đắp hồ quang bằng tay

Hàn đắp hồ quang bằng tay là phương pháp hàn phục hồi đầu tiên trong ngành sửa chữa phục hồi chi tiết máy được dùng rất phổ biến với sử dụng điện cực nóng chảy. Nó có ưu điểm là đơn giản, dễ vận hành, mất ít thời gian cho công tác chuẩn bị, thao tác hàn rất linh động, có thể hàn được ở mọi tư thế. Sự hình thành của kim loại mối hàn có thể xem như sự hòa trộn của kim loại đắp với kim loại cơ bản ở trạng thái nóng chảy khi hàn. Trong đó thành phần kim loại đắp chính là kim loại bổ xung từ điện cực, dây hàn phụ…Tuy nhiên phương pháp này còn hạn chế bởi một số nhược điểm như: Khó hàn với thép có hàm lượng C cao (C>0,45%), trong mối hàn có nhiều bọt khí, bị rỗ và bị ô xy hóa, nhiệt độ hàn cao, cơ tính vật liệu gia công giảm, sau khi sửa chữa phục hồi cần phải nhiệt luyện lại, công việc thêm phức tạp, khó khăn. Do đó phương pháp này có thể phù hợp với nhiều chủng loại chi tiết, đặc biệt là chi tiết có hinh dạng phức tạp, các chi tiết ít quan trọng, có độ chính xác trung bình.

3.2. Hàn đắp dao động

            Phương pháp này có ưu điểm là tránh được tác dụng của Ô xy và Ni tơ vì có luồng chất ỏng bảo vệ, lượng nguyên tố các bon bị cháy ít, chi tiết không bị cong vênh, không bị thay đổi thành phần nguyên tố hóa học, do chiều sâu nung nóng ở bề mặt chi tiết nhỏ (từ 0,1-2mm) và nhiệt độ vùng hàn thấp, lượng kim loại hao phí thấp, so với hàn bằng tay giảm (6-8)%. Chất lượng lớp kim loại hàn cao, khi dùng nguồn điện một chiều và đấu ngược cực. Tuy nhiên nó còn tồn tại một số nhược điểm sau: Việc trộn lẫn kim loại hàn với kim loại chi tiết không tốt, nhiều khi có vết nứt trên lớp đắp, do bị tôi bởi dung dịch làm nguội. Độ bền mỏi giảm nên không dùng cho chi tiết chịu tải trọng đổi dấu. Kết cấu máy cồng kềnh, chỉ thuận lợi cho dạng sản suất hàng khối.

3.3. Hàn đắp dưới lớp thuốc bảo vệ

Phần lớn các chi tiết có dạng mặt phẳng hay khối trụ được áp dụng phương pháp này khi phục hồi sửa chữa. Ưu điểm của phương pháp là tăng năng suất lao động, điều kiện lao động và chất lượng hàn đắp được cải thiện, tiêu hao điện năng và vật liệu hàn ít, nó có thể hợp kim hóa một cách dễ dàng, tăng cơ tính lớp hàn đắp, tăng khả năng chịu mài mòn, chịu va đập của chi tiết sau phục hồi, việc hợp kim hóa trong hàn tự động rẻ và đơn giản hơn nhiều so với sản xuất que hàn đặc biệt. Vì vậy phương pháp này được áp dụng rộng rãi khi phục hồi các chi tiết hình trụ như trục khuỷu, trục piston búa máy, buồng công tác máy bơm, mũi khoan đá, mũi khoan dầu khí…

3.4. Hàn đắp hồ quang trong môi trường khí bảo vệ CO2

Phương pháp này có ưu điểm cho phép cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn trong bất kỳ vị trí không gian nào phù hợp với bề mặt chi tiết hàn đắp kể cả vị trí hàn ngửa, năng suất lao động tăng gấp khoảng 3 đến 5 lần so với hàn tay. Tuy nhiên hàn trong môi trường khí bảo vệ có nhiều khả năng bị ô xy hóa lớp kim loại hàn, vì khí CO2 trong hồ quang bị phân tích tạo thành ô xít các bon và ô xy, tiêu hao kim loại còn nhiều và cơ tính lớp kim loại đắp thấp hơn so với hàn dưới lớp thuốc bảo vệ.

4. So sánh một số chỉ tiêu về kỹ thuật – kinh tế của một số phương pháp hàn

Trước khi lựa chọn một phương án hàn tối ưu nhất, ta cần so sánh những ưu, nhược điểm của các phương pháp hàn để từ đó chọn ra được phương án hàn tốt nhất. Các chỉ tiêu kỹ thuật – kinh tế được trình bày từ bảng 3 đến bảng 6, theo [3].

Bảng 3. Năng suất hàn

TT Phương pháp hàn Dòng điện(A) Hệ số nóng chảy(g/Ah) Hệ số sử dụng máy(%) Năng suất(kg/h)
1 Hàn bán tự động trong môi trường
+ Dây 180 – 250 12,0 60 1,58
+ Dây 300 – 350 16,0 60 3,13
2 Hàn tự động trong môi trường ; dây 800 – 850 16,0 50 6,8
3 Hàn bán tự động dưới lớp thuốc bảo vệ; dây 300 – 350 18,0 50 3,0
4 Hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ; dây 800 – 850 16,0 50 12,6
5 Hàn thủ công bằng tay que hàn YOHИ 13/35 160 – 180 8,0 70 0,96 

Bảng 4. Tiêu thụ điện năng

TT Phương pháp hàn Lượng điện(KWh/kg) Điện áp hồ quang (V)
1 Hàn bán tự động trong môi trường
+ Dây 2,5 26
+ Dây 3,0 33 – 36
2 Hàn bán tự động dưới lớp thuốc bảo vệ; dây 3,7 36 – 38
3 Hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ; dây 3,7 30 – 36
4 Hàn tự động trong môi trường ; dây 3,5 30 – 32
5 Hàn thủ công bằng tay que hàn YOHИ 13/35 6,8 30 – 32

 

Bảng 5. Vật liệu hàn cần thiết cho 1kg kim loại nóng chảy

TT Phương pháp hàn Dây hàn(kg) Que hàn(kg) Khí hàn() Thuốc hàn(kg)
1 Hàn bán tự động trong môi trường CO2
+ Dây 1,1 0,06
+ Dây 1,15 0,12
2 Hàn tự động trong môi trường CO2; dây 1,2 0,15
3 Hàn bán tự động dưới lớp thuốc bảo vệ; dây 1,03 1
4 Hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ; dây 1,01 0,8
5 Hàn thủ công bằng tay que hàn YOHИ 13/35 1,65

 

Bảng 6. Giá thành cho 1kg kim loại nóng chảy (tính theo tổng doanh thu)

 

TT Phương pháp hàn Dây hàn Que hàn Khí hàn Điện Lương Giá thành
1 Hàn bán tự động trong môi trường CO2
+ Dây 0,3 0,13 0,033 0,33 0,793
+ Dây 0,25 0,3 0,088 0,22 0,858
2 Hàn tự động trong môi trường CO2; dây 0,22 0,32 0,11 0,1 0,85
3 Hàn thủ công bằng tay que hàn YOHИ 13/35 0,033 0,136 0,2 0,369

Từ các số liệu ở bảng trên ta thấy các phương pháp hàn đắp tự động, bán tự động dưới lớp thuốc bảo vệ; hàn đắp tự động, bán tự động trong môi trường khí bảo vệ cho chất lượng mối hàn tốt, lượng điện năng tiêu thụ cũng như khối lượng kim loại hàn bổ xung nhỏ hơn so với hàn đắp bằng tay. Tuy nhiên giá thành mối hàn của các phương pháp đó lại lớn hơn so với hàn đắp bằng tay, vì các phương pháp đó phải chi phí cho khí hàn và thuốc hàn bảo vệ mối hàn.

5. Kết luận

Để lựa chọn được phương pháp hàn phục hồi trục khuỷu tối ưu nhất ta cần dựa vào độ bền, độ chính xác của chi tiết, tính công nghệ, tính kinh tế của quá trình phục hồi.

Từ những phân tích trên ta thấy các phương pháp hàn đắp tự động dưới lớp thuốc bảo vệ; hàn đắp tự động trong môi trường khí bảo vệ; hàn đắp dao động có các ưu điểm chất lượng lớp đắp tốt, tiêu hao ít điện năng và vật liệu hàn, cơ tính của sản phẩm được cải thiện rõ rệt, dễ cơ khí hóa và tự động hóa hơn so với phương pháp hàn hồ quang bằng tay. Đặc biệt phương pháp hàn đắp dưới lớp thuốc bảo vệ có nhiều ưu điểm nổi bật so với các phương pháp hàn đắp khác là:

+ Năng suất hàn tăng từ 6 đến 8 lần so với hàn hồ quang hở;

+ Lớp vỏ xỉ được tạo ra có tác dụng ủ mối hàn, làm chậm quá trình nguội của kim loại hàn, điều đó tạo nên lớp kim loại hàn có cấu trúc đồng đều, ít bị nứt và rỗ khí;

+ Lớp vỏ bọc hồ quang bảo vệ vùng hàn không bị ô xy hóa, đồng thời làm giảm kim loại nóng chảy bắn ra khỏi vùng hàn trong quá trình hàn. Lượng kim loại mất mát bắn ra ngoài chỉ bằng 2% lượng kim loại nóng chảy trong quá trình hàn.

+ Có thể điều chỉnh được thành phần lớp kim loại hàn để nó đạt được cơ tính theo yêu cầu.

Chính vì những yếu tố đó, dùng phương pháp hàn đắp dưới lớp thuốc bảo vệ có thể đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, tiết kiệm chi phí khi phục hồi trục khuỷu của động cơ đốt trong.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Phí Trọng Hảo – Nguyễn Thanh Mai, 2004, “Giáo trình Công nghệ chế tạo máy”, NXB Giáo Dục.

[2]. Vũ Thế Sự, 2003, “Giáo trình Công nghệ sửa chữa Máy và thiết bị mỏ” Trường ĐH Mỏ-Địa chất Hà Nội.

[3]. Vương Văn Quế, 2010, “ Nghiên cứu cơ tính lớp kim loại đắp của trục cam động cơ ô tô bị hỏng do mài mòn được phục hồi bằng hàn đắp” -Luận văn thạc sĩ khoa học – Trường đại học bách khoa Hà Nội.

[4]. Bộ môn Cơ Kỹ Thuật Trường cao đẳng Kỹ Thuật Mỏ, 2002 “Tập Bảng số Chi tiết máy”.

ThS. Trần Đình Hưởng, ThS. Bùi Thanh Nhạn – Khoa Cơ khí Động lực
Tài liệu gốc: phan-tich-lua-chon-phuong-phap-han-dap-khi-phuc-hoi-truc-khuyu-cua-dong-co-dot-trong

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s