Đề tài nghiên cứu khoa học: Thiết kế và chế tạo bộ bánh răng mang điện cực hàn theo quỹ đạo (kín)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Thiết kế và chế tạo bộ bánh răng mang điện cực hàn theo quỹ đạo (kín)" nhằm thiết kế chế tạo bộ truyền bánh răng mang điện cực hàn theo quỹ đạo kín giúp phát triển công nghệ hàn orbital kín.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Thiết kế và chế tạo bộ bánh răng mang điện cực hàn theo quỹ đạo (kín)

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 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BÁNH RĂNG MANG ĐIỆN CỰC HÀN THEO QUỸ ĐẠO (KÍN) MÃ SỐ: SV2020-75 SKC 0 0 7 3 9 8 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 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BÁNH RĂNG MANG ĐIỆN CỰC HÀN THEO QUỸ ĐẠO (KÍN) SV2020-75 Chủ nhiệm đề tài : Nguyễn Trung Hậu TP Hồ Chí Minh, 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 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BÁNH RĂNG MANG ĐIỆN CỰC HÀN THEO QUỸ ĐẠO (KÍN) SV2020-75 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Nguyễn Trung Hậu Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16143CL2 , khoa đào tạo chất lượng cao Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ chế tạo máy Người hướng dẫn: ThS. Hồ Ngọc Bốn TP Hồ Chí Minh, 07/2020
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: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BÁNH RĂNG MANG ĐIỆN CỰC HÀN THEO QUỸ ĐẠO (KÍN) - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Trung Hậu Mã số SV: 16143061 - Lớp: 16143CL2 Khoa: Đào tạo chất lượng cao Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4 - Thành viên đề tài: Phong Hoàng Hiếu Mã số SV: 16143067 Võ Văn Dương Mã số SV: 18143075 - Người hướng dẫn:ThS. Hồ Ngọc Bốn 2. Mục tiêu đề tài: Xây dựng được hệ thống bánh răng xoay tự động để nghiên cứu và phát triển các thiết bị hàn orbital kín. 3. Tính mới và sáng tạo: Kết hợp các ứng dụng của cơ cấu cơ khí và mô phỏng bằng phần mềm, tạo ra một mô hình bánh răng tự động quay theo quỹ đạo. 4. Kết quả nghiên cứu: Tính toán thiết kế và thử nghiệm mô hình bộ bánh răng quay tự động, làm tiền đề cho nghiên cứu và phát triển đầu hàn orbital kín của công nghệ hàn orbital. 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: Ứng dụng trong công nghệ hàn ống tự động, giảm thiểu sai sót khi hàn do kinh nghiệm của thợ trong quá trình hàn. 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 tháng năm SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ và tên)
MỤC LỤC Phần I: Mở đầu ..................................................................................................................... 1 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ..................................................... 1 1.1. Trong nước.............................................................................................................. 1 1.2. Ngoài nước.............................................................................................................. 1 2. Lý do chọn đề tài .............................................................................................................. 2 3. Mục tiêu đề tài .................................................................................................................. 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................. 2 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 3 Phần II. Nội dung báo cáo .................................................................................................... 4 Chương I. Tổng Quan ........................................................................................................... 4 1.1Công nghệ hàn Orbital .............................................................................................. 4 1.2Hàn ống quỹ đạo có độ tinh khiết cao .................................................................... 11 Chương II. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................. 17 2.1 Lý thuyết về cấu tạo, hoạt động của bộ truyền bánh răng ..................................... 17 2.2 Cơ sở thiết kế bộ truyền bánh răng ........................................................................ 20 Chương III. Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng ........................................................... 30 3.1 Thiết kế bánh răng: ................................................................................................ 30 3.2 Thiết kế bằng phần mềm: ...................................................................................... 41 3.3 Mô hình 3D: ........................................................................................................... 44 Chương IV. Lắp ráp thử nghiệm bộ truyền bánh răng ....................................................... 48 4.1 Quy trình chế tạo bánh răng: ................................................................................. 48 4.1.1 Quy trình chế tạo bánh răng trụ răng thẳng: ....................................................... 48 4.1.2 Quy trình chế tạo bánh răng côn : ....................................................................... 55
4.2 Lắp ráp thử nghiệm :.............................................................................................. 60 Chương V. Kết luận, kiến nghị về đề tài ............................................................................ 61 5.1 Kết luận: ................................................................................................................. 61 5.2 Kiến nghị : ............................................................................................................. 62
Phần I: Mở đầu 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1.1. Trong nước Hiểu một cách đơn giản thì đây là công nghệ cắt ống và hàn ống kim loại mà trong đó thiết bị sẽ di chuyển theo quỹ đạo tròn xoay quanh chi tiết cần gia công để thực hiện việc gia công. Với công nghệ cắt Orbital thì lưỡi cắt sẽ cắt từ từ vào vật liệu, xoay quanh chi tiết cắt và làm phẳng bề mặt vết cắt, không để lại ba vớ (mẫu vật liệu thừa). Công nghệ hàn Orbital dựa trên công nghệ hàn TIG (Tungsten Inert Gas) và khí Argon cùng phương pháp hàn xoay quanh chi tiết hàn cho mối hàn sáng, đẹp và quan trọng hơn hết là độ khít cao và đồng nhất. Công nghệ này được dùng trong trong các ngành công nghệ cao, thực phẩm và y tế vì những ngành này đòi hỏi rất cao về độ tinh khiết của vật chất được truyền di trong các đường ống, yêu cầu không nhiễm tạp chất, nhiễm khuẩn và độ kín hoàn hảo. Công nghệ cắt ống Orbital là công nghệ cắt nguội nên không sinh nhiều nhiệt, không làm ôxy hóa vật liệu, không gây rỉ sét vật liệu. Vết cắt được vát một cách hoàn hảo cho bề mặt phẳng và sạch, đây là điều kiện cần thiết cho quá trình hàn Orbital. Công nghệ hàn Orbital sử dụng công nghệ hàn TIG và khí Argon chống quá trình ôxy hóa vật liệu. Phương pháp hàn với đầu hàn tự chuyển động tròn quanh chi tiết hàn, cùng với hệ thống giải nhiệt kín làm giảm nhiệt độ của vật liệu, cho phép hàn mà không làm biến đổi tính chất của vật liệu. Quá trình xử lý bằng công nghệ cắt Orbital nên khe hở giữa 2 chi tiết cực nhỏ giúp cho quá trình hàn Orbital đạt kết quả tối ưu về cả thẩm mỹ và độ khít của mối hàn. 1.2. Ngoài nước Sinh Dược : Việc hàn bằng quỹ đạo đã được sử dụng cho hệ thống đường ống khử ion DI (deionized) và WFI (nước pha tiêm) trong ngành dược phẩm kể từ những năm 1970. Ví dụ, hệ thống WFI tại cơ sở Thú y Pfizer ở Missouri. Hiện tại, hàn bằng quỹ đạo đã được sử dụng cho một số cơ sở dược phẩm ở Châu Mỹ Latinh. 1
Ngành sản xuất bia: Các nhà máy bia đã nhận ra ngay từ đầu nhu cầu kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn trong đường ống xử lí của họ. Công ty Busch Brewery Anheuser ở Van Nuys, California đã hàn quỹ đạo đường ống dài 18 km với ống 4 và 6 inch. Việc hàn bằng quỹ đạo đặc biệt quan trọng đối với việc lọc bia lạnh và bia tươi không được tiệt trùng như Miller Genuine Draft và Rainier. Hầu hết các nhà máy bia lớn ở Mỹ và một số nước châu Mỹ Latinh bao gồm Mexico, Nicaragua, Argentina và Brazil đều đã thực hiện thành công các thiết bị hàn bằng quỹ đạo. Nhà máy bia Kaiser ở Sao Paulo gần đây đã thay thế 3.000 mối hàn bằng tay bằng mối hàn quỹ đạo. Công nghiệp thực phẩm: Một số nhà cung cấp ngành công nghiệp thực phẩm lớn đã bắt đầu sử dụng hàn quỹ đạo. Kraft Foods đã mua các hệ thống hàn quỹ đạo cho một số nhà máy bao gồm Springfield, Missouri, Allentown, Pennsylvania và New Ulm, Minnesota. Họ nhận thấy thực sự cần phải có máy hàn quỹ đạo tại chỗ (on-site) cho công việc bảo trì và cho các cơ sở nhỏ mà họ có thể tự làm mà không phải thuê một nhà thầu. 2. Lý do chọn đề tài Với các công nghệ hàn hiện có, phụ thuộc rất nhiều vào trình độ tay nghề của người thợ. Tay nghề càng cao thì mối hàn càng tốt và ngược lại, các mối hàn không được đảm bảo giống nhau và chất lượng cũng khác nhau. Vì vậy, nhằm mục đích phát triển công nghệ hàn tự động giúp quá trình hàn bớt phụ thuộc vào người thợ và đảm bảo chất lượng mối hàn. Bộ truyền bánh răng là một bộ phận quan trọng của thiết bị hàn orbital kín, góp phần phát triển công nghệ hàn này. Giúp cho công nhân sử dụng thuận tiện, giảm sự chênh lệch kinh nghiệm tay nghề của người thợ. 3. Mục tiêu đề tài Thiết kế chế tạo bộ truyền bánh răng mang điện cực hàn theo quỹ đạo kín giúp phát triển công nghệ hàn orbital kín 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp định lượng trong quá trình tính toán Phương pháp phân tích tổng hợp 2
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nguyên lí hoạt động của bộ truyền bánh răng Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng Phạm vi nghiên cứu: Mô hình bộ bánh răng mang điện cực hàn Ý kiến thu thập để cải tiến và phát triển hơn 3
Phần II. Nội dung báo cáo Chương I. Tổng Quan 1.1Công nghệ hàn Orbital Trong quá trình hàn quỹ đạo, chi tiết ống được kẹp tại chổ và đầu hàn quỹ đạo orbital sẽ xoay điện cực và hồ quang điện quanh mối hàn để tạo ra mối hàn theo yêu cầu. Hệ thống hàn orbital bao gồm Bộ nguồn và đầu hàn quỹ đạo. Hình 1: Máy hàn orbital trong thử nghiệm Bộ nguồn : Nguồn điện/ hệ thống điều khiển cung cấp và kiểm soát tham số hàn theo chương trình hàn cụ thể được tạo hoặc được gọi lên từ thẻ nhớ. Bộ nguồn này cung cấp tham số điều khiển, dòng điện hồ quang hàn, nguồn điện dẫn động mô tơ trong đầu hàn và bộ ngắt mạch khí bảo vệ on/off khi cần thiết. 4
Hình 2: Mặt cắt bên trong ống inox được hàn theo quỹ đạo orbital Hình 3: Máy hàn orbital trong nhà máy Đầu hàn: Đầu hàn orbital thường là loại đầu kín và cung cấp buồng khí trơ bảo vệ bao quanh mối hàn. Đầu hàn orbital tiêu chuẩn thích hợp với size ống hàn từ 1.6 mm đến 152 mm với độ dày đến 3.9 mm. Đường kính và độ dày lớn hơn có thể phù hợp với đầu hàn hở. 5
Hiểu một cách đơn giản thì đây là công nghệ cắt ông và hàn ống kim loại mà trong đó thiết bị sẽ di chuyển theo quỹ đạo tròn xoay quanh chi tiết cần gia công để thực hiện việc gia công. Với công nghệ cắt Orbital thì lưỡi cắt sẽ cắt từ từ vào vật liệu, xoay quanh chi tiết cắt và làm phẳng bề mặt vết cắt, không để lại ba vớ. Công nghệ hàn Orbital dựa trên công nghệ hàn TIG và khí Argon cùng phương pháp hàn xoay quanh chi tiết hàn cho mối hàn sáng, đẹp và quan trọng hơn hết là độ khít cao và đồng nhất. Hình 4: Ứng dụng máy hàn orbital vào quá trình sản xuất Công nghệ này được dùng trong trong các ngành công nghệ cao, thực phẩm và y tế vì những ngành này đòi hỏi rất cao về độ tinh khiết của vật chất được truyền di trong các đường ống, yêu cầu không nhiễm tạp chất, nhiễm khuẩn và độ kín hoàn hảo.Nhờ khả năng nhận ra kết quả có độ tinh khiết cao, hàn quỹ đạo đã tìm thấy vị trí của mình trong việc sản xuất các linh kiện phòng sạch cho ngành công nghiệp bán dẫn. Hình 5: Hàn ống y sinh bằng máy hàn orbital 6
Ứng dụng của nó hiện đã mở rộng sang việc xây dựng hệ thống đường ống và thiết bị cho các ngành công nghiệp khác nhau như chế biến thực phẩm, dược phẩm, kỹ thuật hóa học, kỹ thuật ô tô, công nghệ sinh học, đóng tàu và hàng không vũ trụ. Hàn TIG quỹ đạo tự động cũng được sử dụng trong việc xây dựng các nhà máy điện, (nhà máy nhiệt điện). Các vật liệu xây dựng được sử dụng phải có khả năng chịu được tải trọng cơ học khổng lồ được tạo ra bởi áp suất và nhiệt độ cao được tạo ra bởi môi trường mang trong các ống. Phải tránh các vết khía, lỗ chân lông và các vùi trong đường nối hàn bằng mọi giá, vì chúng tạo ra các điểm yếu có thể dẫn đến sự hình thành các vết nứt tiếp theo. Lần lượt những điều này có thể có hậu quả nghiêm trọng về sự thất bại thành phần. Hình 6: Máy hàn orbital được sử dụng ở Mỹ Điều này có nghĩa là các ống thường được làm từ vật liệu gốc niken với thành dày tới 200mm. Một nhà sản xuất đã phát triển một hệ thống hàn khe hẹp quỹ đạo với nguồn cấp dây nóng dành riêng cho mục đích này, sử dụng thiết bị chạy di chuyển trên vòng dẫn hướng cố định quanh ống. Biến thể mới này đã tạo ra rất nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực này, với sự bùng nổ trên toàn thế giới 7
Hình 7: Máy hàn được áp dụng ở các xưởng gia công TQ về xây dựng nhà máy điện thúc đẩy việc tìm kiếm không ngừng cho các phương pháp sản xuất ngày càng hiệu quả bằng cách sử dụng các loại thép nhiệt độ cao mới. Hình 8: Các đường ống inox sạch được làm từ máy hàn orbital 8
Công nghệ cắt ống Orbital là công nghệ cắt nguội nên không sinh nhiều nhiệt, không làm oxy hóa vật liệu, không gây rỉ sét vật liệu. Vết cắt được vát một cách hoàn hảo cho bề mặt phẳng và sạch, đây là điều kiện cần thiết cho quá trình hàn Orbital. Hình 9: Những ống dẫn trong nhà máy được hàn bởi máy hàn orbital Công nghệ hàn Orbital sử dụng công nghệ hàn TIG và khí Argon chống quá trình oxy hóa vật liệu, phương pháp hàn với đầu hàn tự chuyển động tròn quanh chi tiết hàn, cùng với hệ thống giải nhiệt kín làm giảm nhiệt độ của vật liệu cho phép hàn mà không làm biến đổi tính chất của vật liệu. Quá trình xử lý bằng công nghệ cắt Orbital nên khe hở giữa 2 chi tiết cực nhỏ giúp cho quá trình hàn Orbital đạt kết quả tối ưu về cả thẩm mỹ và độ khít của mối hàn. Nghiên cứu hàn quỹ đạo orbital welding với đường kính nhỏ Đào tạo vận hành hai ngày cần được thực hiện bởi nhà cung cấp để người sử dụng có thể duy trì mối hàn quỹ đạo có chất lượng cao và đồng nhất. Người vận hành phải có khả năng xác định mối hàn có thể chấp nhận được đối với ứng dụng của mình và điều chỉnh các thông số hoặc quy trình hàn trong trường hợp các mối hàn không được chấp nhận. 9
Hình 10: Đường hàn vảy cá tuyệt đẹp nhờ công nghệ hàn orbital Hầu hết các ứng dụng độ tinh khiết cao chỉ định thép không gỉ 316L, nhưng hàn bằng quỹ đạo với các vật liệu khác, bao gồm ống thép không gỉ duplex cho các ứng dụng ngoài khơi, ống titan cho các ứng dụng hàng không và AL-6XN và Hastelloy cho môi trường ăn mòn, cũng đều đã được hàn orbital thành công. Hình 11: Sử dụng máy hàn orbital ở nhà máy Malaysia 10
1.2Hàn ống quỹ đạo có độ tinh khiết cao Sự phát triển của ngành bán dẫn trong thập kỷ qua đã chứng kiến việc xây dựng nhiều nhà máy chế tạo để sản xuất các thiết bị bán dẫn. Hàng km đường dẫn khí bằng thép không gỉ, chủ yếu là ống 316L đã đánh bóng điện hóa, đã được lắp đặt bằng phương pháp hàn quỹ đạo - orbital welding. Trong khoảng thời gian này, Bề rộng đường ống dẫn của thiết bị đã chuyển từ micron sang submicron đến một phần mười micron. Khi bề rộng của đường ống giảm, mối quan tâm về tạp chất siêu nhỏ ( tế vi) đã tăng lên, vì các phần tử nhỏ hơn và nhỏ hơn nữa có tiềm năng làm giảm hiệu suất của thiết bị đến mức không thể chấp nhận. Hình 12: Ống y sinh được làm nhờ công nghệ hàn quỹ đạo orbital Độ hoàn thiện bề mặt bên trong ống là rất quan trọng trong việc kiểm soát nhiễm bẩn, và mối hàn cũng phải được trơn tru để tránh thành hang ổ các phần tử lưu lại. Độ tinh khiết khí của quá trình được cải thiện từ cấp độ phần triệu của tạp chất (ppm) đến cấp độ phần tỷ và phải có khả năng xuyên suốt toàn bộ dây chuyền dẫn khí đến điểm sử dụng cuối cùng mà không cần tách độ ẩm, oxy, các phần tử hay hạt, vv… 11
Hình 13: Ống y sinh được làm theo tiêu chuẩn của Đức Hình 14: Vận hành bộ điều khiển máy hàn orbital trong sản xuất Độ hoàn thiện bề mặt rất mượt bên trong ống giữ độ hấp thụ nước đến mức tối thiểu và giảm thời gian để "khô" các đường ống dẫn trước khi chúng được cho vào hoạt động. Bên trong ống đầu tiên được đánh bóng bằng cơ trước khi được đánh bóng bằng điện hóa đạt 12
được bề mặt hoàn thiện là 10 Ra (độ nhám bề mặt) hoặc nhỏ hơn. Độ nhám bề mặt là 7, 5, hoặc thậm chí là 2 Ra là có thể đạt được. Kiểm tra chất lương hàn quỹ đạo (QC) cho đường ống nhỏ phụ thuộc rất lớn vào việc sử dụng các mẫu test. Trước khi bắt đầu bất kỳ dự án hàn quỹ đạo nào, các mối hàn dạng mẫu được thực hiện trên các vật liệu thực tế phải được hàn để đảm bảo rằng các mối hàn đáp ứng các tiêu chí cụ thể. Hình 15: Gá đặt chi tiết chuẩn bị hàn orbital Test các mẫu cũng được đệ trình theo khoảng thời gian quy định trong suốt thời gian làm việc, thông thường sẽ bao gồm lúc bắt đầu của mỗi ca làm việc và những thay đổi trong qui trình, ví dụ như thay đổi số chuẩn nhiệt có thể được chấp nhận của ống cần hàn ( được đánh số theo bảng quy chuẩn) hoặc thay đổi điện cực hàn vonfram. Trong khi các mối hàn thường có thể được kiểm tra bên trong ống ID với một máy nội soi, còn các mối hàn trên các hệ thống đường ống khác có thể không thể tiếp cận. Khả năng lặp lại của quá trình hàn quỹ đạo làm cho nó có thể được tin cậy nếu mối hàn mẫu là tốt, các mối hàn tiếp theo trên cùng một chất liệu sẽ cũng tiếp tục đạt yêu cầu. 13