Quy trình sản xuất vòng bi & Cách chọn mác thép để chế tạo ổ lăn

Vòng bi ổ lăn là một thành phần thiết yếu trong nhiều loại máy móc và thiết bị công nghiệp, đảm bảo sự chuyển động mượt mà và hiệu quả của các bộ phận quay. Quy trình gia công sản xuất vòng bi đòi hỏi sự chính xác cao từ bước lựa chọn nguyên liệu đến các công đoạn gia công phức tạp để tạo ra sản phẩm có độ bền và độ chính xác tuyệt đối. Trong đó, việc chọn mác thép phù hợp để chế tạo ổ lăn đóng vai trò then chốt quyết định chất lượng và tuổi thọ vòng bi. Bài viết này Kỷ Nguyên Máy sẽ giới thiệu chi tiết quy trình sản xuất vòng bi cũng như hướng dẫn cách chọn mác thép phù hợp để đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu cho các ổ lăn.

Khái niệm chế tạo vòng bi

Thông thường, muốn làm ra vòng bi có chất lượng cao thì việc lựa chọn nguyên liệu vô cùng quan trọng và cần có tính chính xác. Và loại thép dùng làm ổ bi là các loại thép có tỷ lệ cacbon hợp kim cao, ngoài ra còn có thể sử dụng nguyên liệu thép SUJ2, IIIX15, AISI 52100. Đối với tuổi thọ của vòng bi phụ thuộc vào độ tinh khiết của thép. Đối với các loại hợp kim thì là sử dụng Crom (Cr), mangan (Mn).

Về quá trình gia công bạc đạn thì các vật liệu chế tạo ổ lăn trên sẽ được trải qua các công đoạn như nung nóng bằng điện, cắt đoạn, dập phôi trong không dập kín.

Quy trình 6 bước gia công vòng bi

Bước 1: Chọn vật liệu làm vòng bi (vật liệu làm ổ bi)

Loại thép nào dùng làm ổ bi? Vì các loại bạc đạn được cấu thành từ những vật liệu hợp kim có tỉ lệ carbon cao nhằm đảm bảo được độ cứng phục vụ trong ngành công nghiệp nặng. Chất liệu chủ yếu để gia công vòng bi là thép SUJ2 hoặc thép AISI 52100, và quá trình ban đầu cần làm chính là loại bỏ các tạp chất để nguyên vật liệu có thể hoàn toàn là thép.

Chọn mác để chế tạo ổ lăn đúng quy định là các loại 5195, 50100, 51100, 52100 (tuy có trùng với các mác thép crôm chế tạo máy nhưng có thành phần P, S cực thấp).

Bước 2: Dập nóng

Việc gia công vòng bi bằng cách dùng thép cây được trải qua công đoạn là nung nóng bằng điện, cắt đoạn, dập phôi trong các khuôn dập để tạo ra các phôi thô có hình dáng và kích thước khác nhau. Khi đã được cắt và định hình thì những loại vòng bi sẽ được dập nóng để tạo ra hình dáng và kích thước đa dạng hơn để phù hợp với các dòng vòng bi, bạc đạn.

Bước 3: Ủ phôi dập

Đối với quá trình gia công bạc đạn thì công đoạn này sẽ được thực hiện trong quá trình kiểm soát chặt chẽ. Điều này nhằm mục đích là tổ chức tốt để phục vụ cho quá trình tiếp theo. Công đoạn dập phôi trong các khuôn dập kín để tạo ra các phôi dập thích hợp và sau đó phôi dập được mang đi ủ theo một quy trình vô cùng đặc biệt.

Bước 4: Tiện chính

Vòng trong và vòng ngoài đều được "gia công vòng bi" bằng máy tiện. Quá trình tiện chính nhằm tạo ra hình dáng, kích thước cơ bản của vòng bi. Ngoài ra, quá trình "gia công vòng bi" tiện nhằm làm cho bề mặt vòng bi được nhẵn để có thể thực hiện được chức năng quay của máy móc thiết bị trong quá trình sản xuất. Quy trình này đòi hỏi độ tỉ mỉ và sự kiên trì cao để có thể đảm bảo được không còn bất cứ một rãnh nào có thể làm ảnh hưởng hay gây xước khi ta lắp đặt vòng bi vào máy.

Bước 5: Nhiệt điện

Vật liệu làm ổ bi là Thép sẽ càng trở nên cứng khi mà đạt đến một nhiệt độ nhất định. Do đó việc xử lý nhiệt sẽ làm thay đổi cấu trúc của thép, nhằm giúp chúng đạt được độ cứng phù hợp để quá trình gia công bạc đạn đạt được kết quả tốt nhất. Khi xử lý nhiệt thì cần điều chỉnh thời gian và nhiệt độ phù hợp nhất để đảm bảo vòng bi có thể hoạt động một cách tốt nhất.

Bước 6: Công đoạn lắp ráp

Trước khi lắp ráp thì những viên bi sẽ được rửa sạch bằng dung môi công nghiệp chuyên dụng. Sẽ tùy thuộc vào loại máy móc hoạt động, tùy thuộc vào loại vòng bi mà việc lựa chọn dung môi sẽ khác nhau. Mục đích của việc tẩy rửa sẽ giúp loại bỏ những tạp chất, bụi bẩn trong quá trình mài, tiện, đun nóng tạo ra, và đặc biệt là giúp khử từ trong quá trình sản xuất.

Chọn mác thép để chế tạo ổ lăn phù hợp

Để chọn mác thép chế tạo ổ lăn (vòng bi), cần quan tâm lựa chọn thép có đặc tính chịu mài mòn cao, độ cứng lớn, độ bền mỏi tiếp xúc tốt. Mác thép phổ biến thường dùng là thép chứa carbon cao và crom, ví dụ như 100Cr6 (còn gọi là SUJ2 theo tiêu chuẩn JIS), một loại thép martensitic có độ cứng và khả năng chống chịu mài mòn xuất sắc.

Một số mác thép phổ biến để chế tạo ổ lăn

• SUJ2 (JIS): Thép ổ lăn tiêu chuẩn Nhật Bản, chứa khoảng 1% carbon và 1.5% crom, có độ cứng và khả năng chịu mài mòn cao, phổ biến dùng trong vòng bi chính xác.
• 100Cr6 (EN, tương đương với SAE 52100): Thép hợp kim cao cacbon crôm, chịu lực, chống mài mòn tốt, độ cứng sau tôi đạt 60-64 HRC, phù hợp làm vòng bi.
• Mác thép theo TCVN 4148:1985: Tiêu chuẩn Việt Nam quy định các loại thép cán nóng và kéo nguội dùng chế tạo ổ lăn, yêu cầu giới hạn độ cứng, tỷ lệ cacbon, hàm lượng tạp chất.
• Các loại thép hợp kim thấp hoặc cao khác như SCM440, SCM420, SCR440... có thể dùng cho các vòng bi có yêu cầu cơ tính khác nhau.

Các điểm cần lưu ý khi chọn mác thép để chế tạo ổ lăn

• Thép có thành phần hóa học chủ yếu gồm khoảng 1% carbon và 1,5% crom, giúp ổ lăn có độ cứng cao sau khi được nhiệt luyện.
• Thép dùng cho ổ lăn có thể được cung cấp dạng thép thanh cán nóng hoặc kéo nguội, với mặt cắt cùng sai lệch cho phép theo tiêu chuẩn kỹ thuật cao.
• Mác thép phổ biến chế tạo ổ lăn bao gồm: 100Cr, 100Cr1, 100Cr2, 100Cr2SiMn, trong đó 100Cr6 (SUJ2) là loại thép vòng bi tiêu chuẩn dùng rộng rãi.
• Ngoài ra còn có các mác thép hợp kim như SCM440, SCM420, SKD11, SNCM439 cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng vòng bi, ổ lăn chịu tải nặng.
• Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4148:1985 quy định chi tiết các mác thép chế tạo ổ lăn, về kích thước, thành phần hóa học và yêu cầu kỹ thuật.

Lý do chọn thép mác như trên

• Độ cứng cao (>60 HRC) giúp tăng khả năng chịu mài mòn khi ổ lăn vận hành liên tục.
• Khả năng chịu mỏi tiếp xúc tốt, chịu lực va đập và tải trọng lớn đảm bảo tuổi thọ ổ lăn.
• Thép chứa crom có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với thép carbon thông thường, phù hợp với điều kiện làm việc khắc nghiệt.

Quy trình sản xuất vòng bi là một chuỗi các công đoạn kỹ thuật phức tạp và đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt về chất lượng vật liệu cũng như kỹ thuật gia công. Việc lựa chọn đúng mác thép cho ổ lăn không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn của vòng bi mà còn giúp nâng cao hiệu suất làm việc và tuổi thọ của thiết bị. Hiểu rõ và áp dụng đúng các tiêu chuẩn về mác thép cùng quy trình sản xuất sẽ góp phần tạo ra những sản phẩm vòng bi chất lượng cao, đáp ứng được yêu cầu ngày càng khắt khe của ngành công nghiệp hiện đại.