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.

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

Quy trình 6 bước gia công 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.

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

Đặc tính yêu cầu: Các loại bạc đạn (ổ bi/ ổ lăn) bắt buộc phải được cấu thành từ các hợp kim có tỷ lệ carbon cao. Điều này nhằm đảm bảo độ cứng tối ưu, đáp ứng tốt yêu cầu vận hành khắc nghiệt trong ngành công nghiệp nặng.

Vật liệu và mác thép tiêu chuẩn:

• Mác thép phổ biến: Chủ yếu sử dụng thép SUJ2 (tiêu chuẩn JIS) hoặc AISI 52100 (tiêu chuẩn ASTM).
• Mác thép quy định chuẩn trong chế tạo ổ lăn: Gồm các mã 5195, 50100, 51100, 52100. Lưu ý: Tuy các mã này trùng với mác thép crom dùng trong chế tạo máy thông thường, nhưng chúng lại có yêu cầu nghiêm ngặt hơn rất nhiều về hàm lượng tạp chất hại (tỷ lệ Phốt pho [P] và Lưu huỳnh [S] cực thấp).

Yêu cầu xử lý ban đầu: Công đoạn đầu tiên và quan trọng nhất là phải loại bỏ hoàn toàn các tạp chất trong quá trình luyện kim, đảm bảo nguyên vật liệu đạt độ tinh khiết tuyệt đối của thép nền.

Ảnh Chọn vật liệu làm vòng bi (vật liệu làm ổ bi)

Bước 2: Nung nóng và dập nóng tạo phôi

Chuẩn bị nguyên liệu: Quy trình bắt đầu từ các thép cây (thép tròn đặc).

Nung nóng và cắt đoạn: Thép cây được đưa qua hệ thống nung nóng bằng điện đến nhiệt độ rèn dập tiêu chuẩn, sau đó được cắt thành các đoạn ngắn (phôi cắt) phù hợp với kích thước hạt định sẵn.

Dập nóng tạo hình: Các đoạn phôi sau khi cắt được đưa ngay vào các khuôn dập của máy dập áp lực cao. Quá trình dập nóng này giúp định hình và tạo ra các phôi thô có hình dáng, kích thước đa dạng (như vòng trong, vòng ngoài), sẵn sàng đáp ứng cho cấu trúc của từng dòng vòng bi, bạc đạn cụ thể.

Ảnh Nung nóng và dập nóng tạo phôi

Bước 3: Ủ phôi dập

Mục đích: Quá trình ủ phôi dập nhằm đồng đều hóa tổ chức kim loại và giảm độ cứng bề mặt của phôi sau khi dập nóng. Việc này tạo điều kiện thuận lợi và chuẩn bị nền tảng tối ưu cho các công đoạn gia công cơ khí (tiện, mài) tiếp theo.

Yêu cầu kỹ thuật: Toàn bộ công đoạn ủ phải được thực hiện và kiểm soát một cách cực kỳ chặt chẽ về cả nhiệt độ lẫn thời gian. 

Xử lý: Sau khi hoàn thành việc dập tạo hình trong khuôn kín, các phôi dập sẽ ngay lập tức được chuyển sang lò và tiến hành ủ theo một quy trình nhiệt luyện đặc biệt (thường là ủ cầu hóa) để đạt được cơ tính đạt chuẩn.

Ảnh Ủ phôi dập

Bước 4: Tiện thô và Tiện tinh (Gia công cơ)

Đối tượng gia công: Cả vòng trong và vòng ngoài của vòng bi đều được chuyển lên các dòng máy tiện chuyên dụng để tiến hành gia công bóc tách kim loại.

Mục đích quy trình: Cắt gọt phôi thô để tạo ra hình dáng hình học, kích thước hình học cơ bản và các biên dạng rãnh lăn của vòng bi. Quá trình tiện giúp làm nhẵn bề mặt, đạt độ nhám bề mặt (độ bóng) tiêu chuẩn. Đây là bước đệm bắt buộc để đảm bảo vòng bi vận hành êm ái, giảm ma sát tối đa khi lắp đặt vào máy móc sản xuất.

Yêu cầu kỹ thuật: Nguyên công này đòi hỏi độ chính xác kích thước và dung sai hình học cực kỳ nghiêm ngặt. Bề mặt sau khi tiện không được phép tồn tại các vết gờ, rãnh cắt phạm hoặc khuyết tật xước, nhằm tránh gây ra hiện tượng tập trung ứng suất hoặc làm hỏng vòng bi trong quá trình lắp ráp và vận hành.

Ảnh Tiện thô và Tiện tinh (Gia công cơ)

Bước 5: Nhiệt luyện (Tôi và Ram thép)

Bản chất kỹ thuật: Thép cấu thành vòng bi (như SUJ2, AISI 52100) sẽ thay đổi cấu trúc pha bên trong và đạt được độ cứng, độ bền cơ học vượt trội khi được nung nóng đến một nhiệt độ nhất định (nhiệt độ tới hạn) rồi làm nguội nhanh.

Mục đích: Quá trình nhiệt luyện (gồm tôi cứng và ram) làm thay đổi tổ chức vi cấu trúc của thép, giúp vòng bi đạt được độ cứng bề mặt tối ưu, khả năng chống mài mòn và chịu tải cực tốt trong suốt vòng đời vận hành.

Yêu cầu công nghệ: Quá trình này đòi hỏi phải thiết lập và kiểm soát cực kỳ nghiêm ngặt hai yếu tố: Nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt/ làm nguội. Việc kiểm soát chuẩn xác thông số công nghệ đảm bảo vòng bi đạt độ cứng đồng đều, không bị nứt vỡ hay biến dạng, giúp thiết bị hoạt động ổn định với hiệu suất cao nhất dưới áp lực lớn.

Ảnh Nhiệt luyện (Tôi và Ram thép)

Bước 6: Tẩy rửa, khử từ và lắp ráp hoàn thiện

Chuẩn bị trước khi lắp ráp (Làm sạch & Khử từ):

• Tẩy rửa tạp chất: Trước khi tiến hành lắp ráp, toàn bộ các thành phần (con lăn/ viên bi, vòng trong, vòng ngoài) phải được rửa sạch bằng các loại dung môi công nghiệp chuyên dụng. Tùy thuộc vào chủng loại vòng bi và yêu cầu vận hành của máy móc, loại dung môi phù hợp sẽ được lựa chọn để loại bỏ hoàn toàn bụi bẩn, phôi mịn và tạp chất bám dính phát sinh từ các công đoạn tiện, mài và nhiệt luyện trước đó.
• Khử từ tính: Một mục đích cực kỳ quan trọng của công đoạn này là khử hoàn toàn từ tính tồn dư trên các chi tiết sắt từ sau quá trình gia công. Việc khử từ giúp vòng bi không hút các mạt kim loại trong quá trình hoạt động, tránh gây cào xước và làm giảm tuổi thọ bạc đạn.

Tiến hành lắp ráp:

Sau khi các chi tiết đã đạt độ sạch và điều kiện kỹ thuật tuyệt đối, chúng sẽ được chuyển sang dây chuyền để lắp ráp hoàn thiện cấu trúc vòng bi (kết hợp vòng trong, vòng ngoài, con lăn và vòng cách/ vòng định vị).

Ảnh Tẩy rửa, khử từ và lắp ráp hoàn thiện

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.

>> CÓ THỂ BẠN QUAN TÂM: BẠC ĐẠN LÀM BẰNG GÌ? TÌM HIỂU 10 CHẤT LIỆU SẢN XUẤT VÒNG BI CÔNG NGHIỆP TỐI ƯU NHẤT

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.

Ảnh Một số mác thép phổ biến để chế tạo ổ lăn

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.