BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
----------





----------

BÙI HUY TƯỞNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN ðẮP PHỤC
HỒI TRỤC CAM ðỘNG CƠ ÔTÔ
BỊ HỎNG DO MÀI MÒN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá
nông, lâm nghiệp
Mã số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: TS. VŨ HUY LÂN
HÀ NỘI - 2010

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
2
LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn Thày giáo. TS Vũ Huy Lân, ñã trực tiếp hướng
dẫn, tận tình giúp ñỡ tôi trong quá trình làm ñề tài và hoàn thành Luận văn.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ
vật liệu – Khoa Cơ ðiện - trường ñại học Nông Nghiệp Hà Nội, bộ môn hàn
và công nghệ vật liệu viện Cơ khí trường ñại học Bách Khoa Hà Nội, PTN
trọng ñiểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt ñã giúp ñỡ và tạo mọi ñiêu kiện
cho tôi trong quá trình thực hiện ñề tài.
Qua ñây tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thày, cô giáo ñã giảng dạy tôi
trong suốt quá trình học tập tại trường. Cảm ơn ban giám hiệu, tập thể giáo
viên trường Cao ñẳng Công nghiệp Nam ðịnh, tập thể giáo viên khoa cơ khí
và bạn bè ñồng nghiệp ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi và giúp ñỡ tôi hoàn
thành Luận văn này.
Tác giả luận văn Bùi Huy Tưởng


1.3.1 Phun phủ kim loại 7
1.3.2 Hàn ñắp 11
1.3.3 Chọn lựa phương pháp hàn phục hồi. 13
1.4 Yêu cầu kỹ thuật ñối với trục cam sau khi sửa chữa 17
1.5 Những khó khăn khi hàn ñắp phục hồi trục cam 20
1.6 Ứng suất dư và biến dạng của chi tiết hàn có liên quan với
trường nhiệt ñộ.
21
1.7 Chọn giải pháp công nghệ hàn
32
1.7.1 ðánh giá sơ bộ tính hàn của thép (kim loại cơ bản )
32
1.7.2 Chọn vật liệu hàn ñắp
33
1.8 Chọn chiều dày lớp trung gian
36
Chương II: LẬP QUY TRÌNH PHỤC HỒI CAM BỊ MÒN 39
2.1 Mài làm sạch trục trước khi hàn
40 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
42.2 Chọn vật liệu và chế ñộ hàn
41
2.2.1 Vật liệu hàn
41
2.2.2 Chọn chế ñộ hàn lớp lót

3.2 Kiểm tra biên dạng cam và ñộ biến dạng của trục cam
74
3.3 Kiểm tra ñộ cứng và ñộ bóng bề mặt
75
3.4 ðánh giá hiệu quả kinh tế
75
3.4.1 Mục ñích của ñánh giá hiệu quả kinh tế
75
3.4.2. Tính toán chi phí mối hàn
76
Chương IV THỰC NGHIỆM VÀ SỬ LÝ SỐ LIỆU 81
4.1 Tính toán và lựa chọn chế ñộ hàn
81
4.1.1 Cơ sở tính toán và lựa chọn
81
4.1.2 Xây dựng sơ ñồ thí nghiệm
83 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
54.1.3. Xác ñịnh tỷ lệ K và kiểm tra tính chống nứt nguội
85
4.2 Kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu
86
4.2.1 Thông số chế ñộ hàn
86
4.2.2 ðánh giá tính chống nứt nguội
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
63.1 Mức ñộ chấp nhận cho các chỉ thị 65
3.2 Giới thiệu thời gian thấm: 66
4.1 Thành phần hoá học que hàn E 308 83
4.2 Kết quả thí nghiệm lớp hàn lót Ni – Fe 84
4.3 Kết quả thí nghiệm lớp hàn ñắp UTP – 61. 85
4.4 Mối quan hệ giữa chiều dày lớp trung gian và chiều cao ñắp. 86
4.5 Thông số chế ñộ hàn ñắp que hàn Ni-Fe và que hàn UTP 87
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
7DANH MỤC HÌNH
STT Tên hình Trang
1.1 Cấu tạo trục cam 2
1.2 Phương pháp kiểm tra ñộ cứng 3
1.3 ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn I 4
1.4 ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn II 5
1.5 Một số dạng hỏng của trục cam 6
1.6 Dạng hỏng cong trục cam 6
1.7 Phương pháp phun phủ 8
1.8 Sơ ñồ nguyên lý ñầu phun kim loại bằng hồ quang ñiện 8


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
8LỜI MỞ ðẦU

Trong công cuộc ñổi mới ñất nước hiện nay, công nghiệp hoá và hiện ñại
hoá là vấn ñề ñược ñặt lên hàng ñầu. Trong ñó ngành công nghiệp cơ khí ñã
có những bước phát triển vượt bậc, tuy nhiên phần lớn máy móc và thiết bị
phục vụ trong ngành cơ khí lại ñược sản xuất và nhập khẩu từ nước ngoài, có
nhiều chủng loại khác nhau. Trong quá trình vận hành sẽ xảy ra những sự cố
hỏng hóc chi tiết nên chi phí ñể thay thế và sửa chữa sẽ rất lớn do chúng ta
phải nhập chi tiết từ nước ngoài hoặc làm mới hoàn toàn.
Trong ñiều kiện kinh tế ñất nước ta hiện nay còn rất khó khăn về nhiều
mặt thì việc áp dụng các công nghệ khác nhau vào việc phục hồi các thiết bị
chi tiết máy ñể giảm giá thành là rất cần thiết. Hàn và hàn ñắp là một trong
những công nghệ chủ yếu ñóng vai trò quan trọng trong nhiệm vụ này, qua
kinh nghiệm và số liệu tổng kết trên thực tế, chi tiết ñược phục hồi bằng công
nghệ hàn chiếm từ 60 – 70% số chi tiết của ôtô, máy kéo, thiết bị cơ khí…
cần sửa chữa, mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn trong sản xuất.
Với nhiệm vụ “Nghiên cứu công nghệ hàn ñắp phục hồi trục cam
ñộng cơ ô tô bị hỏng do mài mòn”. ðây là một ñề tài thực tế, có tính ứng
dụng cao. Trong quá trình thực hiện ñã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian
và ñiều kiện hạn chế, do vậy bản luận văn của tôi còn nhiều thiếu sót, rất
mong nhận ñược sự góp ý của các thày và các bạn ñồng nghiệp.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
10Dựa vào yêu cầu khi chế tạo trục và kinh nghiệm thực tế khi sửa chữa
phục hồi trục cam thì loại vật liệu làm trục thường là thép kết cấu hợp kim
40X (GOST), thép 40Cr (TCVN), thành phần hoá học và cơ tính ñược thể
hiện trong bảng 1.1 và bảng 1.2,
Bảng 1.1 Thành phần hóa học của thép cacbon kết cấu 40Cr [5].
Hàm lượng của các nguyên tố,(%) Mác
thép
C Si Mn Cr Ni P S
40Cr 0,36÷0,44 0,17÷0,37 0,5÷0,8 0,8÷1,10 ≤0,3 ≤0,035 ≤0,035
Bảng 1.2 Cơ tính của thép cacbon kết cấu 40Cr qua nhiệt luyện [5].

Mác thép

Giới hạn bền
σ
b
(MPa)
Giới hạn bền
chảy qui ước
σ
0,2
(MPa)
ðộ giãn dài
tương ñối δ

%

Trục cam có các bộ phận chính là các cam và các cổ trục, các chi tiết của
cơ cấu phân phối khí ñược dẫn ñộng liên hoàn từ trục cam ñến xupap. Quá
trình làm việc của cam ñược diễn ra như sau: Mặt làm việc của cam gồm hai
phần cung ρ và phần cung r. Vì vậy quy luật ñộng học con ñội hình nấm hoặc
hình trụ trên hai phần này cũng khác nhau. Trong giai ñoạn 1, con ñội trượt
trên mặt cam, từ A ñến A’ tương ứng với góc quay của cam từ θ = 0 ñến θ =
θ
max
. Giai ñoạn 2 con ñội trượt trên cung r từ A’ñến C ứng với góc quay γ = γ
max =
=
2
ϕ
θ
max
ñến γ = 0

Hình 1.3 ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn I [1]
- ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn I.
Chuyển vị của con ñội hình nấm khi con ñội trượt ñến một vị trí bất kỳ
nào ñó ứng với góc θ ( trên hình vẽ) chuyển vị của con ñội hình nấm có thể
xác ñịnh theo quan hệ sau: h
θ
= ab = ao – R

2

O
2

O
1

R
1
ρ −R
1
θ
θmax
K
O
θ
O
1
r
b
O
2

a
tâm con ñội Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
12

Rp
dt
d
d
dv
dt
dv
j −===
(1.3)
Khi θ = 0 gia tốc ñạt trị số cực ñại :
j
θmax
= ( ρ - R
1
) ω
k
2
(1.4)
- ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn II.
+ Chuyển vị của con ñội hình nấm, khi con ñội hình nấm trượt ñến vị trí
bất kỳ nào ứng với góc γ trên mặt cung r thì chuyển vị của con ñội ñều có thể
tính theo quan hệ sau.
Hình 1.4 ðộng học của con ñội hình trụ ( hình nấm) trong giai ñoạn II [1]
h

tốc ñộ của trục cam.
+ Gia tốc của con ñội hình nấm. Lấy ñạo hàm hai vế của phương trình
(1.6) ñối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của con ñội:
D
ρ

r
b
R
1

a

γ
γ
max

O
2

O
Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
13J

Hình 1.5 Một số dạng hỏng của trục cam
a)
Cổ trục cam bị mòn
, b)
Vấu cam bị mòn, rỗ
- Trục cam: Một trong những hư hỏng của trục cam dẫn tới hệ thống
phân phối khí làm việc không hiệu quả, có thể không làm việc ñược là do trục
cam bị cong, dẫn tới pha phối khí bị sai lệch.
ðường tâm trục khi bi cong ðường tâm trục thẳng bình thường
Hình 1.6 Dạng hỏng cong trục cam
- Vấu cam: làm việc trong ñiều kiện vừa chịu ma sát, chịu va ñập, vừa bị
ñốt nóng ở nhiệt ñộ cao, ñặc biệt là với cam ñiều khiển ñóng mở xupap xả.
Ngoài ra trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo thành axít ăn mòn.
Do ñó bề mặt làm việc của cam và ñáy xupap hay bị mài mòn, nứt, vấu cam
a
b Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
14bị sứt mẻ, có thể còn bị cháy rỗ (hình 1.9b). Trong thực tế các cam của trục
cam thường mòn nhiều hơn so với cổ trục do các cam trong quá trình làm việc
luôn luôn bị va ñập. Khi trục cam phải ñem ra sửa chữa, thường là bề mặt các
vấu cam ñã bị mòn trong khi ñó các cổ trục của cam vẫn ñảm bảo làm việc
bình thường.


Với phương pháp phun phủ bằng khí nhiệt sẽ không làm thay ñổi cấu
trúc của kim loại cơ bản, không gây biến dạng, tạo ra lớp phủ có ñộ cứng cao,
tính chống mài mòn tốt, hay có thể tạo nên lớp phủ ñặc biệt: các lớp phủ kim
loại, các lớp phủ keramik….

Hình 1.7 Phương pháp phun phủ
Có 3 phương pháp phun phủ kim loại.
- Phun phủ kim loại dùng ñầu phun bằng ñiện
ðầu phun hồ quang ñiện ñược sử dụng rộng rãi và có công suất lớn.
Nguyên lý làm việc của nó như hình vẽ. Hai dây (1) (ñiện cực) ñược chuyển
dịch bằng cặp bánh xe (3) ñi vào ống dẫn ñến vị trí tiếp xúc với nhau. Vòi
phun khí nén (2) ñược bố trí giữa hai ñiện cực.
Hồ quang ñiện và dòng
hạt kim loại lỏng
1
1
2
3
4
5

Các ñầu phun hiện nay có rất nhiều loại, tuy nhiên chúng vẫn chưa ñáp
ứng ñược những yêu cầu ñòi hỏi cao của kỹ thuật.
- Phun phủ kim loại dùng ñầu phun plasma
Nguyên lý phun phủ plasma là dùng nguồn nhiệt plasma ñể làm chảy vật
liệu bột và áp lực khí thổi các hạt phun lên bề mặt chi tiết phun. Nhiệt ñộ của
tâm nguồn nhiệt plasma rất cao có thể ñạt tới 6000
0
C do ñó phun phủ plasma
có thể phun phủ ñược tất cả các vật liệu ( hình 2.4).
Ưu ñiểm của phương pháp phun phủ plasma:
- Có thể dùng ñể phun các loại vật liệu kim loại, hợp kim, ôxyt kim loại,
cacbit, gốm. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
17- Chất lượng lớp phủ ñạt cao
- Có thể dùng thay thế các phương pháp nói trên
- Có thể cơ khí hóa, tự ñộng hóa toàn bộ thiết bị ñể phun phủ trong các
ñiều kiện khác nhau.
Hình 1.10 Nguyên lý phun phủ plasma

Nhận xét
: Về các phương pháp phun phủ trên: Khi chi tiết làm việc
trong ñiều kiện chịu tải trọng va ñập thì nếu không ñủ ñộ bám dính thì sẽ có
Hình 1.12 Nguyên lý hàn hồ quang tay
Bề mặt nguyên thuỷ
Bề mặt bị mòn Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
19Nó ñược áp dụng nhiều vì thiết bị ñơn giản, dễ vận hành, mất ít thời gian
cho công tác chuẩn bị, thao tác hàn rất linh ñộng có thể phù hợp với tất cả
chủng loại chi tiết, ñặc biệt là chi tiết có hình dạng phức tạp.
+ Hàn ñắp tự ñộng dưới lớp thuốc bảo vệ:
Phương pháp này thường áp dụng hàn các chi tiết có bề mặt phẳng hoặc
hình trụ, phương pháp này cho năng suất hàn ñắp tăng lên rõ rệt, ñiều kiện lao
ñộng và chất lượng hàn ñắp ñược cải thiện, tiêu hao ñiện năng và vật liệu hàn
ít. So với hàn tay, hàn ñắp tự ñộng có thể hợp kim hoá kim loại mối hàn ñạt
tới 30%, do ñó có thể tăng cơ tính lớp hàn ñắp, tăng khả năng chịu mài mòn,
va ñập của chi tiết sau phục hồi. Phương pháp này ñược áp dụng rất rộng rãi
cho các chi tiết hình trụ như trục khuỷu, trục pistong máy búa, buồng công tác
máy bơm, mũi khoan ñá, mũi khoan dầu khí..., các chi tiết phẳng như má kẹp
hàm, các mặt trượt chịu ma sát lớn, hàn bằng thép không rỉ cho các bề mặt
chịu mài mòn…

Hình 1.13 Sơ ñồ nguyên lý của máy hàn tự ñộng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........

hàn tốt nhất. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
21Bảng 1.3. So sánh năng suất hàn:
Phương pháp hàn
Dòng ñiện
(A)
Hệ số nóng
chảy
(g/Ah)
Hệ số sử
dụng máy
(%)
Năng suất
(Kg/h)
Hàn bán tự ñộng trong
CO
2

Dây ∅ 1,2 mm
Dây ∅ 2,0 mm

180 - 250
300 - 350

12,0

50

6,8
Hàn thủ công que hàn
∅ 3mm YOHИ 13/35

160 - 180

8,0

70

0,96
Bảng 1.4. So sánh về tiêu thụ ñiện
Phương pháp hàn
Lượng ñiện
(Kwh/Kg)
ðiện áp hồ
quang (V)
Hàn bán tự ñộng trong CO
2

Dây ∅ 1,2 mm
Dây ∅ 2,0 mm

2,5
3,0

26
33 - 36

(m
3
)
Thuốc
hàn (Kg)
Hàn bán tự ñộng trong khí
CO2
Dây ∅ 1,2 mm
Dây ∅ 2,0 mm 1,10
1,15 0,06
0,12

Hàn tự ñộng CO
2
dây ∅ 5
mm
1,20 0,15
Hàn bán tự ñộng dưới lớp
thuốc dây ∅ 0,2 mm

1,03

1,0
Hàn tự ñộng trong môi

0,13
0,3 0,033
0,088 0,33
0,22 0,913
0,858
Hàn tự ñộng CO
2
dây
∅ 5 mm
0,22 0,32 0,110 0,1 0,850 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
23Hàn tự ñộng trong môi
trường CO

Vậy ta chọn phương án hàn hồ quang tay ñể tiến hành hàn phục hồi
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.. ...........
24ðặc ñiểm của hàn hồ quang tay phục hồi:
+ Trong hàn hồ quang tay, phần kim loại cơ bản tham gia mối hàn
thường từ 15%...35%. Khi tỉ lệ này bị phá vỡ (ví dụ do tăng tốc ñộ chảy của
que hàn) thì sự hình thành của mối hàn có thể bị ảnh hưởng.
+ Hàn ñược ở mọi tư thế không gian khác nhau.
+ Năng suất thấp do cường ñộ dòng ñiện hàn bị hạn chế.
+ Hình dạng kích thước và thành phần hóa học mối hàn không ñồng ñều
do tốc ñộ hàn bị dao ñộng, làm cho phần kim loại cơ bản tham gia vào mối
hàn thay ñổi.
+ Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt tương ñối lớn do tốc ñộ hàn nhỏ.
+ ðiều kiện làm việc của thợ hàn mang tính ñộc hại (bức xạ hơi, khí
ñộc…)
+ Các khuyết tật như lẫn xỉ, rỗ khí xuất hiện nhiều làm ảnh hưởng ñến
quá trình gia công sau khi hàn.
+ Năng suất hàn thấp, chất lượng mối hàn phụ thuộc vào người thợ.
+ Ứng dụng phổ biến do chi phí ban ñầu thấp cũng như cách vận hành
ñơn giản, thích hợp cho sản xuất nhỏ và vừa.
Giải pháp cơ bản ñể nâng cao chất lượng hàn ñắp khi hàn hồ quang
tay phục hồi:
+ Giảm phần tham gia của kim loại cơ bản: giảm I
h
, tăng tốc ñộ hàn,