Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát khuấy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát khuấy" là nghiên cứu đề xuất kết cấu, thiết kế chi tiết và chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị hàn ma sát khuấy có thể hàn giáp mí tấm nhôm (6061) dày đến 6 mm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát khuấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: SV2020-62 S KC 0 0 7 3 9 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY Chủ nhiệm đề tài : NGUYỄN HOÀNG KIỆT SV2020-62 TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY SV2020-62 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Nguyễn Hoàng Kiệt Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16144CL5 Khoa ĐT CLC Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật cơ khí Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Thiện Ngôn TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ vi DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH ........................................................................... vii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ...................................... 1 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 3 1.1. Đặt vấn đề........................................................................................................ 3 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................................................... 4 1.3. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 4 1.4. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ........................................................ 4 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 4 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN .................................................................................... 5 2.1. Giới thiệu về ma sát khuấy ............................................................................ 5 2.1.1. Lịch sử phát triển .......................................................................................... 5 2.1.2. Nguyên lý hàn ma sát khuấy ......................................................................... 6 2.1.3. Phân loại ......................................................................................................... 7 2.1.4. Ứng dụng của hàn ma sát khuấy .................................................................. 7 2.2. Thiết bị hàn ma sát khuấy ............................................................................. 8 2.2.1. Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang...................................... 8 2.2.2. Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng: ...................................... 9 2.2.3. Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng .............................................. 9 2.2.4. Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm .................... 10 2.2.5. Máy hàn ma sát khuấy hàn ống dày .......................................................... 11 2.2.6. Robot công nghiệp ....................................................................................... 12 2.3. Dụng cụ hàn ma sát khuấy .......................................................................... 13 2.3.1. Dụng cụ Skew-Stir ....................................................................................... 14 2.3.2. Dụng cụ Whorl ............................................................................................. 15 i
2.3.3. Dụng cụ Triflute ........................................................................................... 16 2.4. Các lực trong hàn ma sát khuấy ................................................................. 17 2.4.1. Lực dọc Fx ..................................................................................................... 17 2.4.2. Lực Fy ............................................................................................................ 18 2.4.3. Lực Fz ............................................................................................................ 18 2.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước.............................................................. 18 2.5.1. Trong nước ................................................................................................... 18 2.5.2. Ngoài nước .................................................................................................... 19 2.6. Định lượng các công việc nghiên cứu ......................................................... 20 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY ....... 21 3.1. Xác định nguyên lý ....................................................................................... 21 3.2. Phương án kết cấu ........................................................................................ 21 3.2.1. Yêu cầu ......................................................................................................... 21 3.2.2. Phương án 1.................................................................................................. 22 3.2.3. Phương án 2.................................................................................................. 22 3.2.4. Lực chọn phương án .................................................................................... 24 3.3. Phương án thiết kế thân đỡ đầu máy ......................................................... 24 3.3.1. Phương án 1 – Thép tấm ............................................................................. 24 3.3.2. Phương án 2.................................................................................................. 25 3.3.3. Lực chọn phương án .................................................................................... 26 3.4. Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme dọc:................ 27 3.4.1. Phương án 1.................................................................................................. 27 3.4.2. Phương án 2.................................................................................................. 27 3.4.3. Lựa chọn phương án ................................................................................... 28 3.5. Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme ngang ............ 29 3.5.1. Phương án 1.................................................................................................. 29 3.5.2. Phương án 2.................................................................................................. 29 3.5.3. Lựa chọn phương án ................................................................................... 30 ii
3.6. Phương án thiết kế truyền động từ động cơ sang đầu máy ...................... 31 3.6.1. Phương án 1.................................................................................................. 31 3.6.2. Phương án 2.................................................................................................. 31 3.6.3. Lựa chọn phương án ................................................................................... 32 3.7. Phương án điều khiển tốc độ động cơ ........................................................ 33 3.7.1. Phương án 1.................................................................................................. 33 3.7.2. Phương án 2.................................................................................................. 33 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ .................................................... 35 4.1. Xác định lực hàn ........................................................................................... 35 4.2. Truyền động trục Y ...................................................................................... 36 4.2.1. Tính toán bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo (hoặc nén) ......... 36 4.2.2. Chọn động cơ trục Y ................................................................................... 39 4.3. Truyền động trục X ......................................................................................... 41 4.3.1. Tính toán bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo/nén ..................... 41 4.3.2. Chọn động cơ trục X .................................................................................... 44 4.4. Tính toán chọn động cơ cho trục chính ...................................................... 44 4.5. Tính toán thiết kế bộ truyền động đai ........................................................... 45 4.5.1. Thông số đầu vào .......................................................................................... 45 4.5.2. Tính toán thiết kế bộ truyền đai .................................................................. 46 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ....................................................... 50 CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM ................................................... 54 6.1. Chế tạo chi tiết cơ khí ..................................................................................... 54 6.1.1. Cụm khung đầu máy .................................................................................... 54 6.1.1.4. Tấm T che mặt trên ................................................................................... 65 6.1.2. Cụm vitme dọc ............................................................................................. 70 iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng so sánh các phương án chế tạo thân máy..................................... 23 Bảng 3.2. Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính ............................... 25 Bảng 3.3: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính ............................... 27 Bảng 3.4: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính ............................... 29 Bảng 3.5: Bảng so sánh các phương án lắp đặt đai ............................................... 31 Bảng 3.6: Bảng so sánh hệ thống thay đổi tốc độ trục chính ................................ 34 Bảng 5.1: Bảng kê các thiết bị điện trong bộ điều khiển....................................... 52 Bảng 6.1: Thông số của thép .................................................................................. 58 iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FSW: Friction Stir Welding TWI: Training Within Industry HAZ: Heat Affected Zone MIG: Metal Inert Gas v
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Đường hàn ma sát khuấy .......................................................................... 4 Hình 2.2: Nguyên lý hàn ma sát khuấy [2] ............................................................... 6 Hình 2.3: Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang .................................... 8 Hình 2.4: Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng [3] ................................ 9 Hình 2.5 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng [3] ........................................ 9 Hình 2.6: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm [3] ............... 10 Hình 2.7: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng ống [3] ............... 11 Hình 2.8: Hàn ma sát khuấy sử dụng robot công nghiệp tại ĐH Coimbra [3] ....... 12 Hình 2.9: Cấu tạo của dụng cụ hàn ma sát khuấy .................................................. 12 Hình 2.10: Hình dạng dụng cụ Skew-StirTM [4] ..................................................... 13 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc của dụng cụ Skew-StirTM [4] .................... 14 Hình 2.13: Hình dạng dụng cụ WhorlTM [5]........................................................... 14 Hình 2.14 Các biến thể khác nhau của công cụ WhorlTM [7] ................................. 15 Hình 2.15 Hình dạng dụng cụ TrifluteTM [9] .......................................................... 16 Hình 2.16 Thiết kể của dụng cụ TrifluteTM [8] ....................................................... 16 Hình 2.17 Các lực tác dụng lên chốt hàn, hệ trục tọa độ [10] ................................ 16 Hình 3.1: Mô tả nguyên lý hàn ma sát khuấy ......................................................... 20 Hình 3.2: Thân máy tiện CNC Hitachi Serki 3NE300 ........................................... 21 Hình 3.3: Khung bệ máy được hàn từ thép hộp ..................................................... 22 Hình 3.4: Khung đỡ đầu máy bằng thép tấm.......................................................... 24 Hình 3.5: Khung đỡ đầu máy hàn bằng thép hộp 50x50x6mm.............................. 25 Hình 3.6. Cụm động cơ servo dọc được lắp bên trong thân máy ........................... 26 Hình 3.7: Cụm động cơ servo dọc được lắp bên ngoài thân máy .......................... 27 Hình 3.8: Cụm động cơ servo ngang được lắp dùng hộp số thẳng ........................ 28 Hình 3.9. Cụm động cơ servo ngang được lắp dùng hộp số vuông góc................. 29 Hình 3.10: Đầu máy và động cơ được truyền động bằng đai lắp theo chiều dọc .. 30 Hình 3.11: Đầu máy và động cơ được truyền động bằng đai lắp theo chiều ngang31 Hình 3.12: Biến tần Mitsubishi FR-F740-7.5K ...................................................... 34 Hình 4.1: Sơ đồ truyền ddoognj trục Y .................................................................. 36 Hình 4.2. Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax ................................................... 39 vi
Hình 4.3: Động cơ AC servo Mitsubishi và Driver................................................ 40 Hình 4.4: Sơ đồ truyền động trục X ....................................................................... 41 Hình 4.5 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax .................................................... 44 Hình 4.6 Chọn loại tiết diện đai hình thang[1] ....................................................... 46 Hình 4.7 Thông số của đai hình thang[1] ............................................................... 47 Hình 5.1: Sơ đồ kết nói các khí cụ điện................................................................. 52 Hình 6.1 Cụm khung đầu máy sau khi chế tạo hoàn chỉnh .................................... 55 Hình 6.2 Thiết kế cụm khung đỡ đầu máy ............................................................. 56 Hình 6.3 Khung đỡ đầu máy sau khi gia công hàn. ............................................... 57 Hình 6.4: Khug máy và đầu máy mô phỏng trên phần mềm Inventor ................... 58 Hình 6.5: Chọn mặt phẳng cố định ......................................................................... 59 Hình 6.6: Mật độ lưới thể hiện trên phần mềm. ..................................................... 59 Hình 6.7 : Mô tả trọng lực của đầu phay gây ra chuyển vị đối với khung máy ..... 60 Hình 6.8: Chuyển vị theo phương X khi không tải ................................................ 61 Hình 6.9: Chuyển vị theo Phương Y khi không tải ................................................ 61 Hình 6.10: Chuyển vị theo phương Z khi không tải............................................... 62 Hình 6.11: Các lực gây ra chuyển vị khung máy ................................................... 63 Hình 6.12: Chuyển vị theo phương X khi có tải .................................................... 63 Hình 6.13: Chuyển vị theo phương Y khi có tải. ................................................... 64 Hình 6.14: Chuyển vị theo phương Z khi có tải ..................................................... 64 Hình 6.15: Thiết kế puly gắn động cơ .................................................................... 65 Hình 6.16: Puly được lắp hoàn chỉnh với động cơ ................................................. 65 Hình 6.17: Thiết kế puly gắn đầu phay .................................................................. 66 Hình 6.18: Puly đầu phay được lắp ráp hoàn chỉnh ............................................... 67 Hình 6.19: Bản vẽ thiết kế tấm T che mặt trên....................................................... 68 Hình 6.20: Tấm T sau khi gia công và lắp ráp vào khung máy.............................. 68 Hình 6.21: Bản vẽ thiết kế tấm mặt bích gắn với khung ........................................ 69 Hình 6.22: Bản vẽ thiết kế bạc đỡ đầu máy phay ................................................... 70 Hình 6.23: Bạc đỡ sau khi gia công hoàn thiện ...................................................... 70 Hình 6.24: Bản vẽ thiết kế tấm căng đai ................................................................ 71 Hình 6.25: Tấm căng đai sau khi lắp khép hoàn chỉnh với khung máy ................. 71 Hình 6.26: Bản vẽ tấm định vị vitme với thân máy ............................................... 72 vii
Hình 6.27: Tấm định vị mitme với thân máy sau khi gia công .............................. 73 Hình 6.28: Bản vẽ các chi tiết của gối đỡ vitme .................................................... 74 Hình 6.29: Cụm gối đỡ sau khi gia công và lắp gắp hoàn chỉnh vào vỉme ............ 74 Hình 6.30: Khớp nối 3D ......................................................................................... 75 Hình 6.31: Khớp nối sau khi gia công hoàn chỉnh ................................................. 75 Hình 6.32: Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối ........................................................ 76 Hình 6.33: Lồng giữ khớp nối sau khi chế tạo hoàn thiện ..................................... 77 Hình 6.34: Bản vẽ thiết kế tấm chặn ổ bi ............................................................... 78 Hình 6.35: Tấm chặn ổ bi sau khi hoàn thiện ......................................................... 78 Hình 6.36: Bản vẽ tấm định vị vitme với thân máy ............................................... 79 Hình 6.37: Tấm định vị vitme với thân máy hoàn thiện ........................................ 80 Hình 6.38: Bản thiết kế gối đỡ ............................................................................... 81 Hình 6.39: Gối đỡ vitme sau khi gia công hoàn thiện ............................................ 81 Hình 6.40: Mô hình thiết kế 3D của khớp nối ........................................................ 82 Hình 6.41: Khớp nối sau khi chế gia công hoàn thiện ........................................... 82 Hình 6.42: Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối ........................................................ 83 Hình 6.43: Lồng giữ khớp nối sau khi gia công hoàn thiện ................................... 83 viii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy hàn ma sát khuấy - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hoàng Kiệt Mã số SV: 16144088 - Lớp:16144CL5 Khoa: Đào tạo chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Nguyễn Tiến Quyền 16144139 16144CL5 ĐT CLC 2 Nguyễn Khánh Dương 16144025 16144CL5 ĐT CLC - Người hướng dẫn: PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn 2. Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu đề xuất kết cấu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị hàn ma sát khuấy có thể hàn giáp mí tấm nhôm (6061) dày đến 10 mm. 3. Tính mới và sáng tạo: Là phương pháp hàn còn khá mới mẻ ở nước ta. Đặc biệt trong các trường học và các trung tâm nghiên cứu. Các công trình nghiên cứu chủ yếu được tiến hành trên máy phay đứng vạn năng, chưa có máy chuyên dùng để hàn má sát khuấy. 4. Kết quả nghiên cứu: Xác định được nguyên lý của máy hàn ma sát khuấy và chế tạo được các cụm của máy hàn. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Đề tài góp phần phục vụ công tác nghiên cứu và phổ biến công nghệ hàn ma sát khuấy trong chế tạo cơ khí của Việt Nam hiện nay. 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): Ngày 12 tháng 07 năm 2020 SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) Nguyễn Hoàng Kiệt 1
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi): Ngày 25 tháng 07 năm 2020 Người hướng dẫn (kí, họ và tên) 2
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Ngày nay, các ngành công nghiệp có vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi đất nước, cùng với đó sự hình thành các công nghệ mới góp phần nâng cao chất lượng, năng suất và giảm thiểu tác động đến môi trường để tạo sự phát triển bền vững. Nhiều phương pháp gia công đã được nghiên cứu và ứng dụng, trong đó hàn là phương pháp phổ biến trong sản xuất. Hàn có tầm quan trọng trong nền kinh tế và đã phát triển rất nhanh từ kỹ thuật công nghệ đến trang thiết bị nhằm đáp ứng nhu cầu và chất lượng ngày càng cao. Trong những năm gần đây, công nghệ hàn ngày càng phát triển nhiều thiết bị hiện đại làm tăng năng suất gấp nhiều lần song bên cạnh đó tồn tại một số hạn chế như: việc tính toán chế độ hàn khó khăn, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, kim loại bị biến tính do nóng chảy, cần khí bảo vệ mối hàn, phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, dễ xuất hiện vết nứt tế vi, vật hàn biến dạng và đặc biệt cần quan tâm tính chất đồng bộ của vật liệu hàn. Phương pháp hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là phương pháp hiệu quả và khắc phục tốt một số nhược điểm của các phương pháp hàn trước đây. Hàn ma sát khuấy có bước tiến quan trọng trong những năm gần đây, được xem như một công nghệ xanh sử dụng năng lượng hiệu quả và ít tác động đến môi trường. Vì là phương pháp hàn còn khá mới mẻ nên các trang thiết bị về hàn ma sát khuấy vẫn chưa phổ biến. Trên thế giới, hiện chỉ có hơn 200 doanh nghiệp chế tạo các sản phẩm ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy. Còn tại Việt Nam thì chưa có doanh nghiệp nào đi sâu vào lĩnh vực này. Các thực nghiệm về hàn ma sát khuấy công bố trên các bái báo, công trình nghiên cứu chủ yếu được tiến hành trên máy phay đứng vạn năng. Ít có các công bố liên quan đến nghiên cứu tiến hành trên máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng. Một số doanh nghiệp cung ứng máy hàn ma sát khuấy, nhưng chủ yếu các máy này được thiết kế và chế tạo để sản xuất ra một sản phẩm cụ thể ứng dụng công nghệ kỹ thuật ma sát khuấy. Việc trang bị các máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng là rất tốn kém, đòi hỏi chi phí đầu tư lớn nhưng lại không phù hợp cho các nghiên cứu với các loại sản phẩm khác nhau. Với tình hình trên, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát khuấy” là rất cần thiết, góp phần phục vụ công tác nghiên cứu và phổ biến công nghệ hàn ma sát khuấy trong chế tạo cơ khí của Việt Nam hiện nay. Ngoài ra, từng bước làm chủ các công nghệ thiết kế hiện đại, ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến cũng như giá thành 3
chế tạo phù hợp với năng lực đầu tư của các đơn vị chế tạo cơ khí trong nước. 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Trong thời đại hiện nay, việc luôn luôn phát minh, cải tiến, ứng dụng các phương pháp sản xuất mới vào trong thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm bớt thời gian và chi phí tạo ra là một phần trong chiến lược phát triển của các doanh nghiệp, công ty. Công tác nghiên cứu tạo ra các thiết bị, máy móc hiện đại, luôn được ưu tiên hàng đầu, việc nghiên cứu, tính toán thiết kế chế tạo thiết bị hàn ma sát khuấy không nằm ngoài quy luật đó, mục tiêu của đề tài là rất rõ ràng trong việc giảm bớt sức lao động, đáp ứng các nhu cầu cần thiết. Đề tài được thực hiện đầy đủ các bước theo một quy trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo một sản phẩm mới và có ưu thế về các mặt sau: - Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại; - Không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại,...); - Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt); - Hàn được các kim loại khác nhau với nhau; - Cơ tính mối hàn rất tốt; 1.3. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đề xuất kết cấu, thiết kế chi tiết và chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị hàn ma sát khuấy có thể hàn giáp mí tấm nhôm (6061) dày đến 6 mm. 1.4. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu Nội dung của đề tài được giới hạn trong phạm vi nghiên cứu lý thuyết và chế tạo thử nghiệm dựa trên điều kiện hiện có: - Vật liệu chi tiết hàn: Al và Al có độ dày 6 mm. - Vật liệu dao khuấy hiện có ở Việt Nam: thép SKD 11. 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu Sưu tầm và nghiên cứu sách báo, tài liệu, công trình có liên quan đến phương pháp hàn ma sát khuấy. Dựa vào các bài báo khoa học uy tín cho những thông tin xác thực và mới nhất trên thế giới cũng như trong nước, góp phần làm cơ sở để phát triển đề tài. Sau khi đã tham khảo các tài liệu và có được các số liệu cần thiết thì việc phân tích các số liệu, các tài liệu có liên quan là việc hết sức cần thiết. Từ các phân tích, đánh giá này, tiến hành đề xuất phương án kết cấu, thiết kế và chế tạo các cụm chính của thiết bị hàn ma sát khuấy. 4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1. Giới thiệu về ma sát khuấy 2.1.1. Lịch sử phát triển Hàn khuấy ma sát là một quá trình tự sinh được phát minh bởi W. Thomas của Viện hàn (TWI) vào tháng 12 năm 1991 và ban đầu được sử dụng để tham gia các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp như nhôm, đồng, magiê, v.v., độ dày vật liệu có thể áp dụng từ 0,5 đến 65 mm. Quá trình này sử dụng một thiết kế có khả năng quay và được chèn vào giữa 2 tấm kim loại sau đó tịnh tiến dọc theo phần tiếp xúc của 2 tấm kim loại ấy. Điều này là điều hoàn toàn mới trong lĩnh vực hoàn toàn mới trong công nghệ hàn. Nhiệt ma sát giữa dụng cụ hàn chống mài mòn và phôi làm cho phôi mềm ra mà không đạt đến điểm nóng chảy, cho phép công cụ đi qua dọc theo đường hàn. Và sau khi làm mát, pha rắn liên kết sẽ được tạo ra giữa các phôi với nhau [2]. Hình 2.1: Đường hàn ma sát khuấy Sử dụng FSW giúp có được mối hàn nhanh hơn, chất lượng cao hơn trên hợp kim nhôm seri 2xxx, 6xxx, 7xxx đã từng xem là không thể và đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường (không sinh ra khói hay xỉ kim loại). Hàn ma sát khuấy là một phương pháp hàn phi truyền thống, chi tiết dạng tấm là các chi tiết chủ yếu được sử dụng trong quá trình hàn ma sát khuấy. Việc tạo ra mối hàn cần một năng lượng chủ yếu và năng lượng này được tạo ra do sự tiếp xúc ma sát giữa đầu hàn chuyên dụng (chốt hàn) và vật liệu cần hàn. Có rất nhiều yếu tố như góc xoay của dụng cụ hàn, tốc độ và bước tiến cũng như hình dáng hình học của đầu hàn sẽ ảnh hưởng lớn đến nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hàn. Hàn ma sát khuấy là một ứng dụng công nghệ có hiệu quả cao về mặt năng lượng, thân thiện với môi trường và tạo ra hiệu quả cao về mặt thẩm mỹ cho mối hàn. Những nghiên cứu này được ứng dụng rất thực tế trong ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, hàng hải hay đường sắt,… 5
Các ưu điểm của hàn ma sát khuấy (FSW) có được nhờ mối hàn được thực hiện ở trạng thái dẻo tại nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của vật liệu. xác định là vượt trội hơn so với phương pháp hàn truyền thống: - Chất lượng mối hàn cao, cơ tính tốt. Giảm chi phí gia công bề mặt sau khi hàn. - An toàn cho người thợ hàn vì không có khói độc, hồ quang hay tia nhiệt phát ra trong quá trình vật liệu nóng chảy; - Không tiêu tốn que hàn hay khí bảo vệ, tiết kiệm được rất nhiều chi phí; - Hàn được các kim loại khác nhau và nó không tan chảy vật liệu nhờ thuộc tính ban đầu; - Biến dạng do nhiệt thấp cũng như ít chịu tác động từ môi trường; - Co ngót thấp; - Không cần tay nghề của người thợ hàn quá cao; - Hàn được trong tất cả các vị trí trong không gian; - Dễ dàng tự động hóa và khả năng tương thích cho việc sử dụng robot. Chi phí lắp đặt và đào tạo nhân công thấp; Tuy nhiên hàn ma sát khuấy (FSW) cũng có các khuyết điểm sau: - Thiết bị hàn đắt tiền; - Lỗ thoát còn lại do dụng cụ hàn khi rút lên gây mất thẩm mỹ và ảnh hưởng đến đặc tính của sản phẩm; - Yêu cầu lực kẹp lớn để giữ các tấm hàn với nhau; - Ít linh hoạt so với phương pháp hàn hồ quang ( khó khăn khi các tấm có chiều dày thay đổi và các đường hàn không thẳng); - Không thể tạo mối hàn ma yêu cầu lắng kim loại. ( Ví dụ: hàn góc); - Tốc độ di chuyển theo đường hàn chậm so với các kỹ thuật hàn chảy. 2.1.2. Nguyên lý hàn ma sát khuấy Trong hàn ma sát khuấy dùng một dụng cụ khuấy hình trụ khó nóng chảy được thiết kế có một đầu khuấy hình dạng đặc biệt (có ren hoặc không có ren) và phần vai để tiếp xúc với bề mặt phôi hàn. Trước tiên dụng cụ này vừa quay vừa đi xuống, đầu khuấy xuyên vào phôi hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), quay tại chỗ làm mềm vật liệu xung quanh đầu khuấy, sau đó dụng cụ di chuyển dọc theo hướng hàn để tạo thành mối hàn hình 2.2. Vật liệu bị mềm ra bởi nhiệt từ ma sát và lực ép từ vai dụng cụ sẽ liên kết vật liệu ở hai bên phôi hàn với nhau. Do vật liệu không nóng chảy nên tính chất mối hàn sẽ tốt, cơ tính đảm bảo, hạn chế khuyết tật. 6
Hình 2.2: Nguyên lý hàn ma sát khuấy [2] 2.1.3. Phân loại Các công nghệ được ứng dụng từ hàn ma sát khuấy: - Hàn điểm ma sát khuấy (Friction Stir Spot Welding). - Quá trình ma sát khuấy xử lý vật liệu (Friction Stir Process). - Quá trình tạo phản ứng bằng ma sát khuấy (Friction Stir Reaction Process). - Hàn ma sát khuấy vật liệu dẻo nhiệt. Theo khảo sát hiện nay, thiết bị hàn được chia làm hai nhóm chính như sau: - Thiết bị đựợc điều khiển bằng vi xử lý: các tính năng hỗ trợ tương đối đơn giản như phương pháp bán tự động thông thường. - Thiết bị đựợc điều khiển bằng máy tính: các tính tăng được hỗ trợ bằng phần mềm máy tính với các phương pháp hàn khác nhau. Các thông số hàn được ghi nhận và hiện thị trên màn hình máy tính. Các công ty sản xuất máy móc thiết bị hàn ma sát khuấy hiện nay như: CTC, Nova- Tech Engineering (Mỹ); TWI (Anh); Hitachi, Mazda (Nhật), … 2.1.4. Ứng dụng của hàn ma sát khuấy 2.1.4.1. Thế giới Hiện nay Viện hàn Vương quốc Anh đã cấp giấy phép cho hơn 200 công ty hoạt động trong lãnh vực công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy. Do chất lượng mối hàn cao, nên hàn ma sát khuấy được ứng dụng trong các ngành công nghiệp đặc biệt quan 7
trọng như thùng nhiên liệu tàu con thoi, tên lửa đẩy Boeing Deltra II và Delta IV (Boeing Delta II and Delta IV Expendable Launch Vehicles), tên lửa Falcon 1… Năm 2004, hãng ôtô Ford đã sản xuất hơn vài ngàn chiếc Ford GT với việc lắp khung sườn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy và đã cải thiện được sự biến dạng, tăng độ chính xác về kích thước, vị trí và tăng bền khoảng 30% so với hàn MIG. Ngoài vật liệu nhôm, phương pháp hàn ma sát khuấy cũng đã hàn thành công những vật liệu như thép, thép không gỉ, đồng, titan… 2.1.4.2. Trong nước Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực còn khá mới mẻ. Đặc biệt trong các trường học và các trung tâm nghiên cứu, phương pháp này chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái niệm. Theo khảo sát, hiện nay hầu như không có doanh nghiệp nào trong nước ứng dụng phương pháp này vào trong sản xuất. Các công ty có thể ứng dụng công nghệ này một cách có hiệu quả như: sản xuất nồi hơi, các nhà máy đóng tàu vỏ hợp kim nhôm (Bourbon Long An, Strategic Marine Vũng Tàu…),… nhưng các công ty trên vẫn chưa mạnh dạn đầu tư vì chưa hiểu rõ về thiết bị công nghệ hàn. 2.2. Thiết bị hàn ma sát khuấy Hàn ma sát khuấy có thể được thực hiện trên các máy có các chuyển động tương tự quá trình hàn ma sát khuấy hoặc trên các máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng như: 2.2.1. Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang Máy hàn ma sát khuấy được sử dụng để hàn các sản phẩm hàn có dạng tấm phẳng hoặc hàn tròn các sản phẩm hình trụ. Đây là máy đơn với đầu hàn được lắp vào trục chính nằm ngang. Đầu hàn được thiết kế để đâm vào vật liệu của vật hàn gắn cố định với một cơ cấu bên ngoài ví dụ như nạnh chống trên máy phay, hoặc gá tùy chọn để hàn các sản phẩm hình trụ. Hành trình di chuyển độc lập với máy, do đó cho phép sự linh hoạt tối đa về kích thước hoặc dạng hình học của vật hàn. Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi có thể được đưa vào cho phép chuyển động độc lập tương đối với vai dụng cụ. 8
Hình 2.3: Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang [Nguồn Internet] 2.2.2. Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng: Máy có đầu hàn được bố trí theo phương thẳng đứng và bàn máy có một trục chuyển động. Máy có hành trình hàn chuẩn dài khoảng 600mm, và đầu hàn có thể được nghiêng thủ công 30 so với bàn gia công. Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi có thể được đưa vào cho phép chuyển động độc lập tương đối với vai dụng cụ. Hình 2.4: Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng [3] 2.2.3. Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng Máy có khả năng hàn các biên dạng trong không gian. Máy có ba trục vuông góc nhau và hai trục xoay động lực. Đầu hàn được lắp theo phương thẳng đứng và gồm có: trục đâm xuống (Z), trục điều chỉnh bước (A), trục lắc ngang (B). Bàn máy hàn cho phép chuyển động theo hai phương X và Y. Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi có thể được đưa vào cho phép chuyển động độc lập tương đối với vai dụng cụ. 9