Máy hàn ma sát khuấy: Nghiên cứu, thiết kế và phát triển đề tài khoa học

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

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

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

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

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

FSW: Friction Stir Welding

TWI: Training Within Industry

HAZ: Heat Affected Zone

MIG: Metal Inert Gas

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

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

Khoa: Đào tạo chất lượng cao

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 - Thành viên đề tài:

Stt

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

Nguyễn Tiến Quyền

16144139

16144CL5

ĐT CLC

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

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)

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.

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,…

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.

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

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.

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.

Hình 2.5 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng [3]

2.2.4. Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm

Loại máy này được thiết kế dành cho các sản phẩm hàn dạng tấm rộng, yêu cầu được hàn mí để tạo tấm lớn hớn. Đây là máy hàn một trục với đầu hàn di chuyển theo phương thẳng đứng. Nó có một giường máy cố định. Cấu hình tùy chọn bao gồm cả giường di động. Máy cơ sở có kích thước tiêu chuẩn: hành trình hàn theo phương X là 3600mm, hành trình theo phương Z là 200mm và một giường cố định. Hành trình theo phương Y là tùy chọn.

Hình 2.6: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm [3]

2.2.5. Máy hàn ma sát khuấy hàn ống dày

Máy có khả năng hàn ống có đường kính từ 300mm đến 600mm. Đầu hàn được lắp theo phương ngang và gồm trục dò đường hàn (X), trục thẳng đứng (Y), và trục đâm xuống (Z). Máy có khả năng tạo lực đâm xuống 13700kg và moment xoắn là 34600Nmm. Hàn chu vi đường tròn có thể thực hiện với một tab run-off hoặc cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi cho phép hàn toàn bộ quanh ống.

Hình 2.7: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng ống [3]

2.2.6. Robot công nghiệp Trong vài năm trước khi mà công nghệ hàn ma sát khuấy vừa ra đời, việc sử dụng

robot trong FSW không mang lại hiệu quả cao do sự hạn chế của nó. Tuy nhiên trong

những năm gần đây, sự phát triển của robot đã khiến nó lại xuất hiện trong thị trường

của FSW. Nhờ khả năng tự động hóa và tính linh hoạt, robot công nghiệp đã cải thiện

đáng kể năng suất hàn của công nghệ FSW. Khả năng hàn trên nhiều mặt trong một

nguyên công có khả năng cao trong việc cải thiện năng suất.

Hình 2.8: Hàn ma sát khuấy sử dụng robot công nghiệp tại ĐH Coimbra [3]

2.3. Dụng cụ hàn ma sát khuấy

Dụng cụ hàn ma sát khuấy hay còn gọi là chốt hàn là thành phần vô cùng quan

trọng cho quá trình hàn ma sát khuấy.

Hình 2.9: Cấu tạo của dụng cụ hàn ma sát khuấy

Dụng cụ hàn cấu tạo gồm bốn phần sau:

- Chuôi: Phần dùng để lắp vào trục quay của máy và cũng góp phần tạo moment

xoắn, tạo lực quán tính giúp dụng cụ đi tới dễ dàng hơn.

- Vai dụng cụ: Tiếp xúc với bề mặt phôi khi hàn, sinh nhiệt do ma sát giữa hai

bề mặt tiếp xúc, khống chế vật liệu,… ép vật liệu.

- Đầu khuấy: làm nhiệm vụ đâm xuyên vào vật liệu hàn, cắt nguồn kim loại tại mối hàn và di chuyển vật liệu đó từ trước ra sau dụng cụ khi dụng cụ đi tới, khuấy vật liệu từ đỉnh đầu cắt lên phần vai dụng cụ.

- Đỉnh đầu khuấy: Tạo nhiệt do ma sát với phần gần với mép dưới của vật hàn. Lượng nhiệt này và lượng nhiệt do ma sát giữ vai dụng cụ với bề mặt vật liệu cộng với lượng nhiệt do quá trình biến dạng dẻo sẽ làm mềm vật liệu xung quanh đầu khuấy.

Hiện nay, dụng cụ này đã và đang được phát triển rất nhiều trên thế giới tại các

nước đang phát triển – nơi mà công nghệ hàn ma sát khuấy được xem là phổ biến:

- Dụng cụ Skew-Stir - Dụng cụ Whorl - Dụng cụ Triflute

2.3.1. Dụng cụ Skew-Stir

Được phát triển tại Viện Hàn quốc tế. Theo đó, mặt vai của công cụ nằm xiên với

trục đầu chốt, nhưng lại vuông góc với trục máy (hình 2.10, 2.11a).

Hình 2.10: Hình dạng dụng cụ Skew-StirTM [4] Các đầu dò được cắt 1 phần để nó không đối xứng (hình 2.11b) giúp dòng nguyên liệu lưu thông dễ dàng hơn, làm tăng tỉ lệ khối lượng động so với tĩnh khối lượng mối hàn. Tỉ lệ này có nghĩa trong việc giảm sự hình thành khoảng trống trong mối hàn. Chính vì điều đó, công cụ này thực sự quá phù hợp để xử lý trong hàn ma sát khuấy. Hình 2.11c thể hiện quá trình khuấy kim loại của công cụ. Sơ đồ nguyên lý hoạt động được mô tả ở hình 2.11.

Ưu điểm của đầu khuấy xoắn ốc so với đầu khuấy hình trụ là tỷ lệ thể tích quét so với thể tích đầu khuẫy xoắn ốc là 1,8/1 trong khi đầu khuấy hình trụ có tỷ lệ 1,1/1 (khi hàn tấm dày 25 mm).

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc của dụng cụ Skew-StirTM [4]

2.3.2. Dụng cụ Whorl

Được phát triển tại Viện Hàn quốc tế vào năm 2012-2013. Công cụ bao gồm vai có hình thìa và đầu dò hình côn, kết hợp lưỡi xoắn ốc trên thân côn để dễ dàng khoan sâu vào vật liệu. Khoảng cách của các lưỡi cắt này rộng hơn độ dày của lưỡi nhằm tăng cường dòng nguyên liệu. Công cụ này cho phép hàn hợp kim với tiết diện dày (25 đến 75mm) trên một lần chạy, vì nó cung cấp ma sát cực kỳ tốt, gia nhiệt cao vào dòng vật liệu nhờ thiết kế khá đặc biệt của đầu dò.

Hình 2.13: Hình dạng dụng cụ WhorlTM [5]

Các chốt hàn xoắn ốc giảm 60% khối lượng di chuyển của một đầu khuấy hình trụ đường kính tương tự. Giảm khối lượng dịch chuyển cũng giảm tải đi qua, cho phép tốc độ chốt hàn di chuyển nhanh hơn. Sự khác biệt chính giữa đầu khuấy nón cụt và đầu khuấy xoắn ốc là thiết kế của các rãnh xoắn trên bề mặt đầu khuấy. Trong trường hợp đầu khuấy xoắn ốc rãnh xoắn lớn hơn ren ngoài, các dãy xoắn hoạt động như một mũi khoan tạo ra một chuyển động đi xuống dễ dàng. Biến thể của đầu khuấy xoắn ốc bao

gồm hình ô van (a), dạng mái chèo (b), ba mặt phẳng (c), ba mặt lõm (d), thay đổi hình dạng xoắn ốc và tăng bước xoắn, góc xoắn (e). Các biến thể của dụng cụ [6].

Hình 2.14 Các biến thể khác nhau của công cụ WhorlTM [7]

2.3.3. Dụng cụ Triflute

Được phát triển gần đây cũng tại Viện Hàn quốc tế. Giống như Skew-StirTM, tỉ lệ khối lượng động và tĩnh cao hơn các công cụ bình thường khác. Cuộc khảo sát tại TWI chỉ ra rằng Triflute tăng 100% tốc độ di chuyển ngang và giảm 20% lực dọc trục. Hình 2.17 và 2.18 chỉ ra cấu tạo thiết kế của công cụ TrifluteTM .

Hình 2.15 Hình dạng dụng Hình 2.16 Thiết kể của dụng cụ TrifluteTM [9] cụ TrifluteTM [8]

Ngoài các rãnh xoắn ốc, đầu khuấy chứa ba rãnh lớn cắt các qua rãnh xoắn ốc. Các rãnh cắt lớn làm giảm 70% khối lượng dịch chuyển của một đầu khuấy hình trụ đường kính tương ứng và làm tăng biến dạng ở dòng kim loại hàn. Ngoài ra, TrifluteTM rãnh cắt có thể tích quét tỷ lệ thể tích đầu khuấy 2,6/1 (khi hàn tấm dày 25 mm).

2.4. Các lực trong hàn ma sát khuấy

Các lực phát sinh trong quá trình hàn ma sát khuấy bao gồm:

- Lực dọc trục Fz

- Lực hướng di chuyển Fx

- Lực ngang Fy

Hình 2.17 Các lực tác dụng lên chốt hàn, hệ trục tọa độ [10]

2.4.1. Lực dọc Fx

Là lực tác dụng đi ngang và song song với chuyển động của chốt hàn theo chiều dương của chuyển động. Khi xuất hiện lực dọc X sẽ dẫn đến sự cản trở của vật liệu đến

đến chuyển động của chốt hàn. Tuy nhiên lực này sẽ giảm dần khi nhiệt độ vật liệu xung quanh tăng lên. Ngoài vật liệu ra, còn hướng thớ kim loại và một số yếu tố khác ảnh hưởng đến đến lực dọc Y. Do đó, có nhiều nghiên cứu đã chỉ ra, nếu biết vật liệu là gì thì lực dọc trục X trong thiết kế có thể xác định được.

2.4.2. Lực Fy

Các lực ngang tác động vuông góc với hướng di chuyển của chốt hàn và được định nghĩa như là chiều dương cạnh tiến của mối hàn. Một mômen xoắn là cần thiết để quay chốt hàn, giá trị đó sẽ phụ thuộc vào lực xuống và hệ số ma sát (ma sát trượt) hoặc độ bền dòng vật liệu trong vùng xung quanh (ma sát dính).

Những lực này kết hợp với ảnh hưởng nhiệt có thể gây biến dạng đồ gá, tấm vật liệu đã gia công và tác động làm hao mòn dụng cụ. Những ảnh hưởng đó về sau sẽ phức tạp hơn, sự hình thành ứng suất dư trong quá trình hàn hoặc ảnh hưởng đến tuổi thọ của chốt hàn.

2.4.3. Lực Fz

Tác dụng của lực dọc trục Z rất cần thiết cho việc duy trì vị trí chốt hàn tại độ sâu nó đang đạt được bên trong bề mặt vật liệu. Bởi chốt hàn cần được cài đặt trước về vị trí thẳng đứng của nó nên tải trọng cần được thay đổi trong quá trình hàn.

Lực dọc trục Z được xác định chủ yếu bởi vật liệu và tốc độ di chuyển ngang. Các thông số khác ảnh hưởng không nhiều đến lực này. Tuy nhiên có thể thấy, tốc độ di chuyển của đầu chốt là nguyên nhân chủ yếu vì khi đưa dòng vật liệu xuống và sau đó dòng vật liệu hướng lên đẩy chốt hàn đi ngược lên.

2.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước

2.5.1. Trong nước Công nghệ hàn ma sát khuấy ở Việt Nam vẫn còn đang khá mới, đặc biệt tại các trung tâm nghiên cứu cũng như các trường đại học, cao đẳng, phương pháp này mới chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái niệm.Mặc dù đã có một số các nghiên cứu nhỏ, chủ yếu dưới dạng các bài báo cáo nhưng chưa được biệt đến rộng rãi. Đặc biệt, tại Việt Nam hầu như chưa có một cơ sở nào đưa phương pháp này vào sản xuất

- Chưa tìm thấy công bố nghiên cứu về chế tạo máy hàn ma sát khuấy chuyên

dùng.

- Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực còn khá mới mẻ. Sau đây là một

vài nghiên cứu về hàn ma sát khuấy ở trong nước:

- Nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối nhôm A1100

của TS. Vũ Văn Ba Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Nam Định.[11]

- Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến đô bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075 của Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa trên Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản.[12]

- Ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy cho các kết cấu dạng tấm bằng hợp

kim nhôm biến dạng của TS. Lưu Hữu Phước - Đại học Bách Khoa TP.HCM.

- Mô hình nhiệt, mô phỏng và thực nghiệm xác định miền thông số công nghệ

trong hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm của PGS. TS. Đào Hồng Bách.

- Nghiên cứu các thông số đầu ra lực cắt trong mối hàn ma sát khuấy có gia

nhiệt trước của PGS. TS. Trần Thiên Phúc.

Qua các tài liệu đã công bố trên ta thấy việc nghiên cứu về hàn ma sát khuấy ở nước ta hiện nay chu yếu là tìm hiểu và chủ yếu là nghiên cứu về hàn ma sát khuấy mối hàn giáp mí nhôm - nhôm. Chủ yếu là xác định các thông số công nghệ khi hàn ảnh hưởng đến quá trình hàn ghép hai tấm nhôm. Các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy hàn ma sát khuấy chưa được đề cập, công việc thực nghiệm hàn ma sát khuấy chủ yếu được thực hiện trên máy phay.

2.5.2. Ngoài nước:

Viện hàn (TWI) tại Anh đã có nhiều năm thực hiện nhiều loại nghiên cứu, phát triển với các hoạt động của công nghệ của hàn ma sát khuấy. Hiện nay Viện hàn đã cấp giấy phép cho hơn 200 công ty hoạt động trong lĩnh vực công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy. Sau đây là một vài nghiên cứu về hàn ma sát khuấy ở ngoài nước:

- Rajiv S. Mishra, “Center for Friction Stir Processing”, University of

MissouriRolla Murray W. Mahoney, Rockwell Scientific Company, 2007.

- Bharat Raj Singh, “Force book Friction Stir Welding”, India, 2008. - H. J. H. a. J. W. Schmidt, "An analytical model for the heat generation in friction stir welding," Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, vol 12, no. 1, p. 143, 2004.

- Russell M J and Shercliff H R 1st Int. “Symp on Friction Stir Welding”

(Thousand Oaks, California, USA), 1999.

- A.J. Leonard and S.A. Lockyer, “Flaws in Friction Stir Welds, Proceedings of the Fourth International Conference on Friction Stir Welding” (Park City, UT), May 14– 16, 2003.

- T.S. Mahmoud, Fouad H Mahmoud, T.A. Khalifa; “Friction Stir Welding of

dissimilar A319 & A356 aluminium cast alloys” ; June 2010.

- J.A. Querin, H.A. Rubisoff, J.A. Schneider; “Pin Tool Geometry Effects in

Friction Stir Welding”.

- Rajiv Sharan Mishra, Partha Sarathi De Nilesh Kumar; “Friction Stir Welding

and Processing - Science and Engineering” (Springer, 3319070428, 2014).

- T.J. Lienert, W.L. Stellwag, Jr., B.B. Grimmett, and R.W. Warke, Friction Stir

Welding Studies on Mild Steel, Weld. J., Jan 2003.

Các nghiên cứu từ các tài liệu trên cho thấy, hàn ma sát khuấy được nghiên cứu

khá rộng và sâu. Các nghiên cứu đa số cũng được thực nghiệm trên máy phay. Mặc dù hiện nay trên thị trường cũng có một số máy hàn ma sát khuấy chuyên dùng nhưng các thông tin liên quan về kết cấu, thiết kế chi tiết không được công bố.

2.6. Định lượng các công việc nghiên cứu

- Xác định nguyên lý; - Đề xuất kết cấu máy hàn có thể hàn đường thẳng; - Thiết kế chi tiết; - Chế tạo phần cơ khí; - Xây dựng bộ điều khiển.

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY HÀN

MA SÁT KHUẤY

3.1. Xác định nguyên lý

Từ các nguyên lý hàn ma sát khuấy cùng các thiết bị hàn ma sát khuấy khảo sát

ở chương 2, nguyên lý máy hàn ma sát khuấy phát triển được đề xuất như ở hình 3.1.

Hình 3.1: Mô tả nguyên lý hàn ma sát khuấy

Trong đó:

1. Dụng cụ hàn được gắn vào đầu kẹp nhận chuyển động xoay từ bộ truyền động

(đai, hộp số);

2. Chuyển động ngang được thực hiện bởi chuyển động của bàn máy; 3. Đầu xoay tạo ra nhiệt và gắn kết kim loại vào với nhau. 4. Ma sát làm mềm kim loại dọc theo đường hàn, đưa chúng vào tình trạng mềm

nhão mà không tan chảy.

3.2. Phương án kết cấu

Phương án kết cấu được xây dựng dưới sự hỗ trợ của phần mềm Solidworks và

Inventor đảm bảo được yêu cầu trong quá trình hoạt động.

3.2.1. Yêu cầu

- Đầu mang dụng cụ khuấy phải đảm bảo độ cứng vững và nâng đỡ phận tạo

chuyển động quay trong quá trình hoạt động.

- Chống rung tốt.

- Không gian đủ để lắp các thiết bị cần thiết.

- Chống nhiễu cho các thiết bị điện tử, đảm bảo vận hành tốt trong môi trường

công nghiệp.

3.2.2. Phương án 1

Thiết kế phần thân trên lắp đặt trên thân máy tiện có sẵn của máy tiện CNC

Hitachi Serki 3NE300.

Ưu điểm:

- Sử dụng khung máy sẵn có chắc chắn, hạn chế rung động trong quá trình vận

hành máy;

- Băng trượt máy tiện chính xác và được thiết kế theo tiêu chuẩn tạo cơ sở để

thiết kế bàn máy của máy hàn ma sát.

Nhược điểm:

- Khung máy là khung máy tiện không có phần thân trên nên phải thiết kế phần

thân trên (mang đầu dao) mới;

- Bị hạn chế bởi kích thước sẵn có của thân máy.

Hình 3.1: Thân máy tiện CNC Hitachi Serki 3NE300

3.2.3. Phương án 2

Thiết kế mới cả phần thân dưới và phần thân trên sử dụng thép hộp.

Hình 3.2: Khung bệ máy được hàn từ thép hộp

Ưu điểm:

- Khung thân được chế tạo mới hoàn toàn nên kích thước có thể chủ động dựa

và dễ bố trí các thành phần khác của máy trên thân;

- Linh hoạt trong việc gá đặt các chi tiết, động cơ truyền động công suất lớn.

Nhược điểm:

- Quá trình gia công khung phức tạp, khó đảm bảo độ chính xác, độ vuông góc

của các thanh thép hộp do phương pháp chế tạo chủ yếu là hàn hồ quang;

- Quá trình vận hành với tốc độ cao có thể gây rung động mạnh;

- Chi phí vật liệu, gia công cao.

3.2.4. Lực chọn phương án

Bảng 3.1: Bảng so sánh các phương án chế tạo thân máy

STT Tiêu chí so sánh Sử dụng thân máy tiện sẵn có Chế tạo mới thân máy

1 Chi phí Không Cao

2 Kích thước Hạn chế Điều chỉnh được

3 Gia công chế tạo Đơn giản Phức tạp

5 Độ cứng vững Rất cao Cao

6 Dễ thực hiện Dễ thực hiện Khả năng lắp ráp các chi tiết

Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương án 1: sử dụng thân máy có sẵn để có độ chính xác cao và hạn chế chi phí chế tạo thân máy bằng khung hàn.

3.3. Phương án thiết kế thân đỡ đầu máy

Thiết kế kết cấu dưới sự hỗ trợ của phần mềm Solidworks. Kết cấu cần phải đảm

bảo các yêu cầu sau:

Yêu cầu:

- Đảm bảo độ cứng vững nâng đỡ cả hệ thống trong quá trình hoạt động.

- Chống rung, an toàn cho người sử dụng.

- Không gian đủ để lắp các thiết bị cần thiết.

- Chống nhiễu cho các thiết bị điện tử, đảm bảo vận hành tốt trong môi trường

công nghiệp.

3.3.1. Phương án 1 – Thép tấm

Khung thân đầu máy được chế tạo trên cơ sở khung xương bằng thép hộp và phủ

ngoài băng tấm thép.

Ưu điểm:

- Khung xương đơn giản, dễ chế tạo;

- Dễ đảm bảo các kích thước tương quan, vị trí tương quan vì khối lượng hàn ít,

các tấm thép dễ chế tạo có độ chính xác cao.

Nhược điểm:

- Khả năng chống rung thấp;

- Quá trình lắp ráp các chi tiết bên trong khá khó khăn;

- Chi phí vật liệu tốn kém.

Hình 3.3: Khung đỡ đầu máy bằng thép tấm

3.3.2. Phương án 2

Khung thân đầu máy được chế tạo trên cơ sở thanh thép hộp không phủ ngoài.

Ưu điểm:

- Độ cứng vững cao;

- Việc lắp ráp các chi tiết bên trong dễ dàng;

- Chi phí thấp.

Nhược điểm:

- Do chế tạo bằng phương pháp hàn và số lượng điểm hàn, đường hàn nhiều nên

khó đảm bảo độ chính xác kích thước và vị trí tương quan;

- Thời gian chế tạo dài.

Hình 3.4: Khung đỡ đầu máy hàn bằng thép hộp 50x50x6mm

3.3.3. Lực chọn phương án

Bảng 3.2. Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính

STT Tiêu chí so sánh Sử dụng tấm thép Sử dụng thép hộp

1 Chi phí Chi phí cao Chi phí thấp

2 Kích thước Điều chính xác cao Độ chính xác thấp

3 Gia công chế tạo Dễ dàng Phức tạp

5 Độ cứng vững Thấp Cao

6 Dễ thực hiện Dễ thực hiện

Khả năng lắp ráp các chi tiết

Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương án sử dụng thép hộp làm thân đỡ đầu máy có chi phí thấp và độ cứng vững cao. Kích thước và vị trí tương quan có thể khắc phục và nâng cao băng các giải pháp gia công cắt gọt.

3.4. Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme dọc:

3.4.1. Phương án 1

Vị trí đặt cụm động cơ servo ở bên trong thân máy.

Ưu điểm:

+ Không chiếm không gian bên ngoài.

Nhược điểm:

+ Khi có hư hỏng thì sẽ khó sữa chữa; + Khó lắp đặt hệ thống.

Hình 3.5. Cụm động cơ servo dọc được lắp bên trong thân máy

3.4.2. Phương án 2

Vị trí đặt cụm động cơ servo bên ngoài thân máy.

Ưu điểm:

+ Dễ lắp đặt, và sữa chữa khi có hư hỏng.

Nhược điểm:

+ Chiếm không gian máy.

Hình 3.6: Cụm động cơ servo dọc được lắp bên ngoài thân máy

3.4.3. Lựa chọn phương án

Bảng 3.3: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính

STT Tiêu chí so sánh Vị trí trong thân máy Vị trí ngoài thân máy

1 Chi phí Có Có (chi phí thấp)

2 Kích thước Điều chỉnh được Điều chỉnh được

3 Gia công chế tạo Phức tạp Dễ thục hiện

5 Độ cứng vững Cao Cao

6 Dễ thực hiện Dễ thực hiện Khả năng lắp ráp các chi tiết

Lựa chọn phương án:

Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương

án vị trí vitme ngoài thân máy là hợp lí vì dễ lắp đặt và dễ sửa chữa khi hư hỏng.

3.5. Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme ngang

3.5.1. Phương án 1

Dùng hộp số thẳng.

Ưu điểm:

+ Dễ mua trên thị trường; + Giá thành thấp.

Nhược điểm:

+ Chiếm không gian máy.

Hình 3.7: Cụm động cơ servo ngang được lắp dùng hộp số thẳng

3.5.2. Phương án 2

Dùng hộp số vuông góc.

Ưu điểm:

+ Thiết kế gọn gàng. + Không chiếm không gian máy.

Nhược điểm:

+ Giá thành cao. + Khó kiếm trên thị trường.

Hình 3.8. Cụm động cơ servo ngang được lắp dùng hộp số vuông góc

3.5.3. Lựa chọn phương án

Bảng 3.4: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính

STT Tiêu chí so sánh Hộp số thẳng Hộp số vuông góc

1 Chi phí Có (chi phí thấp) Có (chi phí cao)

2 Độ cứng vững Cao Cao

3 Khả năng lắp ráp các Dễ thực hiện Dễ thực hiện chi tiết

Lựa chọn phương án:

Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương

án dùng hộp số thẳng là tối ưu vì giá thành rẻ và dễ lắp đặt.

3.6. Phương án thiết kế truyền động từ động cơ sang đầu máy

3.6.1. Phương án 1

Lắp đặt đai theo chiều dọc.

Ưu điểm:

+ Dễ căng đai + Dễ lắp đặt động cơ + Thiết kế gọn gàng

Nhược điểm:

+ Khó thay thế đai khi bị đứt

Hình 3.9: Đầu máy và động cơ được truyền động bằng đai lắp theo chiều dọc

3.6.2. Phương án 2:

Lắp đặt đai theo chiều ngang

Ưu điểm:

+ Thiết kế gọn gàng; + Mang tính thẩm mỹ cao.

Nhược điểm:

+ Căng đai khó khăn; + Tải trọng lên khung máy quá lớn

Hình 3.10: Đầu máy và động cơ được truyền động bằng đai lắp theo chiều ngang

3.6.3. Lựa chọn phương án

Bảng 3.5: Bảng so sánh các phương án lắp đặt đai

STT Tiêu chí so sánh Lắp theo phương dọc Lắp theo phương ngang

Có Chi phí Có 1

Không gian Chiếm ít không gian Chiếm nhiều không gian 2

Cao Độ cứng vững Cao 4

Dễ thực hiện Dễ thực hiện 5 Khả năng lắp ráp các chi tiết

Lựa chọn phương án:

Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương

án lắp đai theo phương dọc là hợp lí vì dễ lắp đặt và dễ sửa chữa khi hư hỏng.

3.7. Phương án điều khiển tốc độ động cơ

3.7.1. Phương án 1

Thay đổi kích thước puley của trục chính để thay đổi tốc độ.

Nguyên lý hoạt động:

Dựa vào tỷ số truyền của hệ thống truyền động bằng đai, ta thay đổi kích thước puley của trục chính nhằm thay đổi tốc độ truyền từ động cơ theo công thức tính tỷ số truyền

Với d1 là đường kính puley gắn với động cơ, d2 là đường kính puley của trục

chính.

Ưu điểm:

+ Phương án đơn giản. + Chi phí vừa phải.

Nhược điểm:

+ Mất thời gian và công sức thay puley. + Tốc độ không ổn định. + Thiết kế phức tạp.

3.7.2. Phương án 2

Dùng biến tần để thay đổi tần số của động cơ, từ đó thay đổi tốc độ của động cơ

quay.

Ưu điểm:

+ Tính công nghệ và tự động hóa cao. + Thiết kế đẹp, dễ sử dụng. + Thay đổi được nhiều tốc độ khác nhau.

Nhược điểm:

+ Giá thành cao. + Điều khiển phức tạp.

Hình 3.11: Biến tần Mitsubishi

Bảng 3.6: Bảng so sánh hệ thống thay đổi tốc độ trục chính

STT Tiêu chí so sánh Thay đổi đường kính puley Sử dụng biến tần

1 Giá thành Trung bình Đắt

2 Tính công nghệ Thấp Cao

3 Lắp đặt Khó Dễ

4 Thay đổi tốc độ Không linh hoạt Linh hoạt

5 Tính thẩm mỹ Thấp Cao

Lựa chọn phương án: Phương án 2 dùng biến tần điều khiển.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ

4.1. Xác định lực hàn

Dựa trên kết quả các thí nghiệm:

- Modelling of friction stir welding for robotic implementation[25] tại Phòng thí nghiệm hàn tự động của trường đại học Vanderbilt và phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos do Reginald Crawford, George E. Cook và Alvin M. Strauss thực hiện.

- Experimental Measurements of Load Distributions on Friction Stir[26] Weld Pin Tools của sinh viên Aaron Stahl thuộc trường Đại học Bringham Young.

Ta có các thông số về quá trình hàn ma sát như sau:

Vật liệu hàn:

- Hợp him nhôm 6061-T6 (97,9% Al; 0,60% Si; 0,30% Cu; 1.0% Mg và 0,20% Cr) (tiêu chuẩn ANSI).

- Kích thước 76,2 x 50,8 x 6,35 (mm).

Dụng cụ:

- Vật liệu: thép dụng đã qua nhiệt luyện H13 (tiêu chuẩn AISI).

- Cấu tạo đầu khuấy: trụ trơn, không ren.

- Đường kính đầu khuấy: 4,826mm (0,19in).

- Chiều dài của đầu khuấy: 3,62mm (0,1425in).

- Chiều sâu ngấu không đổi: 3,683mm (0,145in).

- Chiều sâu vai ngấu không đổi: 0,1016mm (0,004in).

- Góc nghiêng đầu dụng cụ: 90

- Vai dụng cụ có đường kính: 12,7mm (0,5in), chiều cao: 6,35mm (0,25in).

Vận tốc hàn:

- Vận tốc hàn: 1500 vg/ph. - Tốc độ di chuyển: 0,0114 m/s (27 ipm)

Từ các thông số trên và kết quả tính toán, thí nghiệm được công bố ta có các lực thành

phần tác động lên ổ gá đầu hàn ma sát khuấy:

- Fz= 9000 N - Fx= 4000 N - Mz= 80000 N.mm

4.2. Truyền động trục Y

Sơ đồ cho truyền động trục Y:

Hình 4.5: Sơ đồ truyền động trục Y

4.2.1. Tính toán bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo (hoặc nén)

4.2.1.1. Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của vít me

(8.19) [1] Theo điều kiện bền ta có : d1 ≥

Trong đó : - d1 là đường kính trong của vít me (mm)

- Fa là lực dọc trục: Fa = Fx+mbàn máy trên= 4000 + 2500 = 7500 N

- .Với là giới hạn chảy của vật liệu làm vít.

Trục vít me ở đây được làm từ thép 45, có là 360 (MPa) => = 120 (MPa)

= 10,17 Thay các giá trị vào ta được giá trị của d1 =

(mm).

Chọn d1 = 28 (mm)

4.2.1.2. Chọn các thông số khác của bộ truyền

 Đường kính bi: db= (0.08÷0.15) d1=0,1.28 = 2,8 (mm)

Chọn db = 3,175 (mm)

 Bước vít: p = db + (1÷5) =3,175+2 =5,175 (mm) Chọn p = 6 (mm)  Bán kính rãnh lăn : r1 =( 0,51÷0,53) db = 0,51.3,175 = 1,62 (mm)  Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi:

c = = = 0,02 (mm)

Trong đó : là góc tiếp xúc, nên chọn khe hở hướng tâm sao cho =45o như

thế độ cứng dọc và khả năng tải của vít tăng.

 Đường kính vòng tròn qua các tâm bi:

Dtb = d1+ 2.(r1-c) = 31,2 (mm)

 Đường kính trong của ren đai ốc:

D1 = Dtb + 2(r1-c) = 34,4 (mm)

 Chiều cao làm việc của ren:

h1 = (0.3÷0.35) db= 0,32.3,175 = 1,01 (mm) Chọn h1 = 1 (mm)

 Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D:

d = d1+ 2.h1= 25 (mm)

D =D1- 2.h1=27,4 (mm)

 Góc nâng vít γ :

γ =

 Số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc không nên quá 2- 2,5 vòng, nếu không sẽ làm tăng sự phân bố không đồng đều tải trọng cho các vòng ren.

 Số bi trong các vòng ren làm việc:

(viên) Zb=

Với K: số vòng ren làm việc là K= 2,3. Chọn Zb= 70

Nếu số bi lớn hơn 65 thì nên giảm bớt bằng cách tăng đường kính bi.

Số bi không tham gia truyền lực phụ thuộc vào kết cấu và chiều dài của rãnh hồi bi.

Khe hở tổng cộng giữa các viên bi nên lấy bằng (0,7 …1,2)db

 Khe hở hướng tâm:

Trong trường hợp không quy định khe hở hướng tâm trong điều kiện kỹ thuật thì nên chọn:

 Khe hở tương đối:

 Góc ma sát lăn thay thế :

Trong đó: =0,004…0,006: Hệ số ma sát lăn. Chọn =0,005

 Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:

Và khi biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay:

 Mômen quay đai ốc:

4.2.1.3. Kiểm nghiệm bền

Tải trọng riêng dọc trục:

Với λ = 0,8 – hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi.

Từ = 0,0022 và qa= 14 từ đồ thị ta xác định được σmax = 3500 MPa

Hình 4.6. Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax

Thỏa mãn độ bền

Yêu cầu : Đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt

Đối với bi đạt

4.2.2. Chọn động cơ trục Y

Công suất công tác thực hiện chuyển động:

Hiệu suất tổng quát của bộ truyền: (2.9)[1]

Với hiệu suất của ổ lăn: ; khớp nối: ; hộp giảm tốc:

Công suất làm việc của động cơ:

(2.8) [1]

Ta sử dụng động cơ AC servo để truyền chuyển động cho trục Y. Dựa theo catalog của nhà sản xuất Misubishi Electric. Ta chọn động cơ kí hiệu: HC-MFS43K- S18, công suất:400 W, nguồn vào: 3AC 122V có gắn hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1/15.

Hình 4.7: Động cơ AC servo Mitsubishi và Driver

4.3. Truyền động trục X

- Sơ đồ cho truyền động trục X:

Hình 4.8 Sơ đồ truyền động trục X

Khối lượng bàn máy: mbàn máy = 500 Kg

Fa=Fx+Nbàn máy = 4000+5000= 9000 N

4.3.1. Tính toán bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo/nén

4.3.1.1. Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của vít me

(8.19) [1] Theo điều kiện bền ta có : d1 ≥

Trong đó :

- d1 là đường kính trong của vít me (mm) - Fa là lực dọc trục

- .Với là giới hạn chảy của vật liệu làm vít.

Trục vít me ở đây được làm từ thép 45, có là 360 (MPa) => = 120

(MPa)

= 11,14 Thay các giá trị vào ta được giá trị của d1 =

(mm).

Chọn d1 = 28 (mm)

4.3.1.2. Chọn các thông số khác của bộ truyền

- Đường kính bi: db= (0.08÷0.15) d1=0,1.28 = 2,8 (mm)

Chọn db = 3,175 (mm)

- Bước vít: p = db + (1÷5) =3,175+2 =5,175 (mm)

Chọn p = 6 (mm)

- Bán kính rãnh lăn : r1 =( 0,51÷0,53) db = 0,51.3,175 = 1,62 (mm) - Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi:

c = = = 0,02 (mm)

Trong đó : là góc tiếp xúc, nên chọn khe hở hướng tâm sao cho =45o như

thế độ cứng dọc và khả năng tải của vít tăng.

- Đường kính vòng tròn qua các tâm bi:

Dtb=d1+ 2.(r1-c) = 31,2 (mm)

- Đường kính trong của ren đai ốc:

D1= Dtb + 2(r1-c) = 34,4 (mm)

- Chiều cao làm việc của ren:

h1= (0.3÷0.35) db= 0,32.3,175 = 1,01 (mm) Chọn h1= 1 (mm)

- Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D:

d= d1+ 2.h1 = 25 (mm)

D =D1- 2.h1 =27,4 (mm)

- Góc nâng vít γ :

γ =

- Số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc không nên quá 2- 2,5 vòng, nếu không sẽ làm tăng sự phân bố không đồng đều tải trọng cho các vòng ren.

- Số bi trong các vòng ren làm việc:

(viên) Zb=

Với K: số vòng ren làm việc là K=2,3. Chọn Zb= 70

Nếu số bi lớn hơn 65 thì nên giảm bớt bằng cách tăng đường kính bi.

Số bi không tham gia truyền lực phụ thuộc vào kết cấu và chiều dài của rãnh hồi bi.

Khe hở tổng cộng giữa các viên bi nên lấy bằng (0,7 …1,2)db

- Khe hở hướng tâm:

Trong trường hợp không quy định khe hở hướng tâm trong điều kiện kỹ thuật thì

nên chọn:

- Khe hở tương đối:

- Góc ma sát lăn thay thế:

Trong đó: =0,004…0,006: Hệ số ma sát lăn. Chọn =0,005

- Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:

Và khi biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay:

- Mômen quay đai ốc:

= N.mm

4.3.1.3. Kiểm nghiệm bền

Tải trọng riêng dọc trục:

Với λ = 0,8 – hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi.

Từ = 0,0022 và qa= 18 từ đồ thị ta xác định được σmax = 3700 MPa

Hình 4.8 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax

Thỏa mãn độ bền

Yêu cầu : Đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt

Đối với bi đạt

4.3.2. Chọn động cơ trục X

Công suất công tác thực hiện chuyển động: n=500 vg/phút: số vòng quay trục vít

me.

Hiệu suất tổng quát của bộ truyền: (2.9)[1]

Với hiệu suất của ổ lăn: ; khớp nối: ; hộp giảm tốc:

Công suất làm việc của động cơ:

(2.8)[1]

Ta sử dụng động cơ AC servo để truyền chuyển động cho trục x. Dựa theo catalog

của nhà sản xuất Misubishi Electric. Ta chọn động cơ kí hiệu: HC-MFS43K-S18, công

suất:400 W, nguồn vào: 3AC 122V có gắn hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1/25.

4.4. Tính toán chọn động cơ cho trục chính

Công suất công tác trên trục chính:

n = 800 vòng/phút: số vòng quay của trục.

- Hiệu suất tổng qua các bộ truyền:

Trong đó:

(2.9)[1]

Trong đó:

: hiệu suất cặp ổ lăn.

: hiệu suất truyền động của khớp nối.

Công suất làm việc của động cơ:

: hiệu suất truyền động của bộ truyền đai.

Ta chọn động cơ điện 3 pha Toshiba 4 pole P=7,5 kW Hz =50, số vòng quay n=1450

(vòng/phút).

4.5. Tính toán thiết kế bộ truyền động đai

4.5.1. Thông số đầu vào

Các thông số làm việc của bộ truyền:

+ Công suất trên trục dẫn: P1= 6,7 (kW)

+ Số vòng quay của trục Z: nz= 2000( vòng/phút)

+ Số vòng quay trên trục nằm ngang: n1=

(vòng/phút)

+ Tỷ số truyền của bộ truyền đai:

Điều kiện làm việc:

+ Tải trọng tĩnh, dao động nhẹ, va đập.

+ Đai được điều chỉnh được.

+ Làm việc ca

+ Đai được định kỳ điều chỉnh lực căng đai.

4.5.2. Tính toán thiết kế bộ truyền đai

Chọn tiết diện đai dựa vào P1 và n1 theo hình 4.1 các loại tiết diện đai hình thang ( TT TKHDĐ CK TẬP 1) trang 59:

Với vận tốc của trục z:

(m/s) < 25 (m/s) nên

dùng đai thang thường.

Với P1= 6,7 (kW) và ndc= 1450 (vòng/phút)

Hình 4.9 Chọn loại tiết diện đai hình thang[1]

Ký hiệu: A

Tra bảng 4.13 trang 59 TTTK HDĐCK TẬP 1 Ta có:

Hình 4.10 Thông số của đai hình thang[1]

Chọn đường kính bánh đai lớn d1 =160 mm.

Vận tốc đai:

(2.16)[1]

4.5.2.1. Đường kính của bánh đai nhỏ

(4.2)[1]

Trong đó:

u= 0,54: tỉ số truyền của đai

: hệ số trượt

Dựa vào bảng 4.21 TT TKHDĐCK Tập 1 chọn = 90 mm.

Tỉ số truyền thực tế:

u =

Sai số: δ= thuộc phạm vi cho phép.

Vậy đường kính bánh đai nhỏ d1 =160 mm và đường kính bánh đai lớn d2=90

mm.

Khoảng cách trục a: (CT 4.2

trang 53)[1]

Điều kiện kiểm tra:

thỏa điều kiện vậy a=400 mm.

Chiều dài đai l:

l = 1195,7 mm dựa vào bảng 4.13 chọn l = 1250 mm

kiểm nghiệm tuổi thọ của đai:

i =

i: số lần cuốn của đai/giây.

Xác định chính xác khoảng cách trục a theo công thức 4.6[1]

Với ;

= 857,3 (mm)

=> a = 427 (mm)

4.5.2.3. Xác định góc ôm α 1 theo công thức 4.7

Điều kiện α 1 ≥ 1200

=> α1 ≥1200 (đạt yêu cầu)

4.5.2.4. Xác định số đai can thiết

P1 : công suất trên trục dẫn P1 = Pct

Kđ : tính chất tải trọng bảng 4.7

[P0] : tra bảng 4.19.

: hệ số ảnh hưởng góc ôm.

: hệ số ảnh hưởng tới tỉ số truyền.

l : hệ số ảnh hưởng đến chiều dài đai.

: hệ số ảnh hưởng tới số đai.

Ta có:

P1 = Pct = 7,1 (kW)

Tra bảng ta có:

Kđ = 1.25 bảng 4.7

= 0,98 bảng 4.15

= 1 theo bảng 4.17 với u=0,57

l = 0,95 bảng 4.16 l/l0=0,74

= 1 bảng 4.18 với

[P0] = 1,85 bảng 4.19

Chọn Z = 5

Chiều rộng bánh đai B theo công thức:

B = (Z – 1)t +2e = (5-1).15+2.10 = 80 mm.

Đường kímh ngoài bánh đai:

d1a = d1 + 2ho = 160 + 2.3,3 = 166,6mm

d2a = d2 + 2ho = 90 + 2.3,3 = 96,6mm

4.5.2.5. Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục lực căng ban đầu

Fo = 780 P1 .Kđ/(V. .Z)+ Fv

Fv = qm.V2 = 0,105x12,152 = 15,5

qm = 0.105 (bảng 4.22)[1]

P1 = Pct = 7,1 (kW)

Kđ = 1,25

V = 12,15 m/s

= 0,98

Z = 5

- Lực tác dụng lên trục:

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

1.1. Thông số thiết kế

Chức năng của bộ điều khiển:

- Điều khiển động cơ trục chính, động cơ trục X, động cơ trục Y; - Cho phép đặt các thông số hàn; - Cho phép điều khiển bằng tay và tự động; - Dừng khẩn cấp khi có sự cố xảy ra.

Từ các chức năng trên, thông số kỹ thuật của bộ điều khiển được đề xuất như sau:

- Dùng PC có cài đặt phần mềm March3 để nhận và xử lý các thông tin; - Dùng Driver và động cơ servo để điều khiển động cơ và dẫn động các trục. - Dùng biến tần để điều khiển động cơ trục chính

1.2. Sơ đồ kết nối các khí cụ điện

Dựa vào nguyên lý hoạt động của máy và kết cấu cơ khí đã chọn, các khí cụ

điện cần thiết và sơ đồ kết nối của chúng được biểu diễn ở hình 5.1.

Hình 5.1: Sơ đồ kết nói các khí cụ điện

5.3. Các thiết bị điện trong bộ điều khiển

Bảng 5.1: Bảng kê các thiết bị điện trong bộ điều khiển

STT Thiết bị Hình ảnh Chức năng Số lượng

1 1

Máy tính SIEMENS SIMATIC RACK PC Nhận và xử lý các thông tin dựa trên các phần phềm cài đặt

2 1 Màn hình Yoelbaer 7 inch TFT Hiển thị các tác vụ điều khiển của máy tính

3 1 Biến tần Mitsubishi FR-F740-7.5K Điều khiển tốc độ động cơ bằng tần số dòng điện

4 1 Động cơ Toshiba 132M 7.5kW Dẫn động bộ truyền đai(trục chính)

5 1 Board điều khiển CNC Mach3 Điều khiển các servo

6 2 Driver servo Mitsubishi MR- J2S-40A Điều khiển và cấp xung cho động cơ servo \

7 2 Mitsubishi AC Servo motor 400W Dẫn động vitme để điều khiển các cụm bàn máy

8 1 Nguồn Keyence 24V MS-HF100 4.5A Cấp nguồn các khí cụ điện sử dụng điện áp 24V

9 Nút ấn đỏ có đèn 4

Stop – dừng cấp điện cho bộ phát xung động cơ/servo

10 Nút ấn xanh có đèn 4 Start –cấp điện cho bộ phát xung động cơ/servo

11 Nút ấn vàng có đèn 3 Reset – Hủy/Đặt các thông số về chuẩn

12 1 Nút nhấn emergency stop Dừng khẩn cấp (ngắt điện) hoạt động của máy

13 1 Tay quay phát xung Hitachi Seiki

Phát xung điều khiển cho các servo khi điều khiển bàn máy ở chế độ chạy tay

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM

6.1. Chế tạo chi tiết cơ khí

6.1.1. Cụm khung đầu máy

Cụm khung đầu máy bao gồm các thành phần (hình 6.1):

- Khung đỡ đầu máy - Đầu máy - Động cơ - Puly động cơ - Puly đầu máy - Tấm T che mặt trên - Mặt bích đầu máy với khung - Tấm căng đai.

Hình 6.1 Cụm khung đầu máy sau khi chế tạo hoàn chỉnh

6.1.1.1 . Khung đỡ đầu máy

a) Yêu cầu:

- Vết hàn ngấu, đẹp. - Vuông góc với thân máy.

b) Thiết kế:

Khung đỡ đầu máy được thiết kế tren phần mềm SolidWorks được giới thiệu ở

hình 6.2.

Hình 6.2 Thiết kế cụm khung đỡ đầu máy

c) Chế tạo:

Khung đỡ đầu máy được chế tạo từ thanh thép hoo6p 50x50x6 bằng phương

pháp hàn hồ quang như ở hình 6.3.

Hình 6.3 Khung đỡ đầu máy sau khi gia công hàn.

d) Khiểm nghiệm bền khung máy

- Tiến hành mô phỏng độ bền khung máy ở trạng thái không tải trên phần mềm

Inventor 2020.

- Kiểu phân tích: Static Analysis.

Hình 6.4: Khug máy và đầu máy mô phỏng trên phần mềm Inventor

- Vật liệu:

Khung được chế tạo từ các thanh thép hộp 50x50x6mm với các thông số ở

bảng sau:

Bảng 6.1: Thông số của thép

Khối lượng riêng 7.85 g/cm^3

Giới hạn chảy 207 MPa

Độ bền kéo 345 MPa

Môđun đàn hồi 220 GPa

Hệ số biến dạng 0.275 ul

Môđun cắt 86.2745 GPa

- Điều kiện biên:

+ Chọn mặt phẳng dưới cùng (A) của khung không bị biến dạng.

Hình 6.5: Chọn mặt phẳng cố định

- Mật độ lưới: mật độ lưới trung bình là 2 mm.

Hình 6.6: Mật độ lưới thể hiện trên phần mềm.

Trạng thái không tải

- Do đang phân tích ở trạng thái không tải nên khung máy chỉ chịu ảnh hưởng của

trọng lực đầu phay gây ra.

Hình 6.7 : Mô tả trọng lực của đầu phay gây ra chuyển vị đối với khung máy

- Kết quả:

+ Chuyển vị theo phương X: chuyển vị tối đa là 0.001645 mm.

Hình 6.8: Chuyển vị theo phương X khi không tải

+ Chuyển vị theo phương Y: chuyển vị tối đa là 0.03343 mm.

Hình 6.9: Chuyển vị theo Phương Y khi không tải

+ Chuyển vị theo phương Z: chuyển vị tối đa là 0.02253 mm.

Hình 6.10: Chuyển vị theo phương Z khi không tải

1..2. Trạng thái có tải

- Trong quá trình hàn tạo ra các lực Fz, Fa và mômen Mz tác dụng lên đầu phay gây

chuyển vị đối với khung máy.

- Độ lớn các lực theo như tính toán: Fz = 9000N, Fx = 4000N, Mz = 80000 N.mm

Hình 6.11: Các lực gây ra chuyển vị khung máy

- Kết quả:

+ Chuyển vị theo phương X: chuyển vị tối đa là 0.0028014 mm.

Hình 6.12: Chuyển vị theo phương X khi có tải

+ Chuyển vị theo phương Y: chuyển vị tối đa là 0.0121344 mm.

Hình 6.13: Chuyển vị theo phương Y khi có tải.

+ Chuyển vị theo phương Z: chuyển vị tối đa là 0.0662399 mm.

Hình 6.14: Chuyển vị theo phương Z khi có tải.

6.1.1.2. Puly động cơ

a) Yêu cầu:

- Độ đồng tâm của lỗ puly với trục động cơ. - Lắp ghép giữa lỗ puly và trục động cơ là lắp trung gian.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.15: Thiết kế puly gắn động cơ c) Chế tạo:

Hình 6.16: Puly được lắp hoàn chỉnh với động cơ

6.1.1.3. Puly đầu phay

a) Yêu cầu: - Then hoa lắp chặt không lỏng.

- Cắt dây CNC.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.17: Thiết kế puly gắn đầu phay c) Chế tạo:

Hình 6.18: Puly đầu phay được lắp ráp hoàn chỉnh

6.1.1.4. Tấm T che mặt trên

a) Yêu cầu:

- Cắt laser thép 15 mm

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.19: Bản vẽ thiết kế tấm T che mặt trên

c) Chế tạo:

Hình 6.20: Tấm T sau khi gia công và lắp ráp vào khung máy

6.1.1.5. Mặt bích đầu máy gắn với khung

a) Yêu cầu:

- Đạt đúng kích thước. - Đúng yêu cầu kĩ thuật.

b) Bản vẽ thiết kế:

Hình 6.21: Bản vẽ thiết kế tấm mặt bích gắn với khung

c) Chế tạo:

- Cắt laser CNC.

6.1.1.6. Bạc đỡ đầu máy phay

a) Yêu cầu:

- Đúng kích thước. - Đạt yêu cầu kỹ thuật về dung sai độ vuông góc.

b) Bản vẽ thiết kế:

Hình 6.22: Bản vẽ thiết kế bạc đỡ đầu máy phay

c) Chế tạo:

Hình 6.23: Bạc đỡ sau khi gia công hoàn thiện

6.1.1.7. Tấm căng đai

a) Yêu cầu:

- Đúng kích yêu cầu kĩ thuật. - Vát mép cạnh bén.

b) Bản vẽ thiết kế:

Hình 6.24: Bản vẽ thiết kế tấm căng đai

c) Chế tạo:

Hình 6.25: Tấm căng đai sau khi lắp khép hoàn chỉnh với khung máy

6.1.2. Cụm vitme dọc

Cụm vitme dọc bao gồm:  Động cơ servo.  Hộp giảm tốc 1:25.  Vitme.  Tấm định vị vitme với thân máy.  Gối đỡ vitme.  Khớp nối.  Ổ bi.  Lồng giữ khớp nối.  Tấm chặn ổ bi.

6.1.2.1. Tấm định vị vitme với thân máy

a) Yêu cầu:

- Cắt laser thép 14mm. - Mài các góc khỏi sắc bén.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.26: Bản vẽ tấm định vị vitme với thân máy

c) Chế tạo:

Hình 6.27: Tấm định vị mitme với thân máy sau khi gia công

6.1.2.2. Gối đỡ vitme

a) Yêu cầu:

- Độ vuông góc giữ các tấm. - Độ phẳng của các mặt phẳng lắp ghép. - Mài các góc sắc bén.

c) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.28: Bản vẽ các chi tiết của gối đỡ vitme

c) Chế tạo:

Hình 6.29: Cụm gối đỡ sau khi gia công và lắp gắp hoàn chỉnh vào vỉme

6.1.2.3. Khớp nối

a) Yêu cầu:

- Độ đồng tâm giữa các lỗ với nhau. - Mài các cạnh sắc bén. - Đầu gắn với vitme có ren. - Đầu gắn với dộng cơ có then.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.30: Khớp nối 3D

c) Chế tạo:

Hình 6.31: Khớp nối sau khi gia công hoàn chỉnh

6.1.2.4. Lồng giữ khớp nối

a) Yêu cầu:

- Độ đồng tâm của các lỗ. - Mài các góc sắc bén.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.32: Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối

c) Chế tạo:

Hình 6.33: Lồng giữ khớp nối sau khi chế tạo hoàn thiện

6.1.3.5. Tấm chặn ổ bi

a) Yêu cầu:

- Mài các góc sắc bén. - Cắt laser thép tấm 5mm.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.34: Bản vẽ thiết kế tấm chặn ổ bi

c) Chế tạo:

Hình 6.35: Tấm chặn ổ bi sau khi hoàn thiện

6.1.3. Cụm vitme ngang

Cụm vitme dọc bao gồm:

Lồng giữ khớp nối.

- Động cơ servo. - Hộp giảm tốc 1:15. - Vitme. - Tấm định vị vitme với thân máy. - Gối đỡ vitme. - Khớp nối. - Ổ bi. - - Tấm chặn ổ bi.

6.1.3.1. Tấm định vị vitme với thân máy

a) Yêu cầu:

- Cắt laser thép 14mm. - Mài các góc khỏi sắc bén.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.36: Bản vẽ tấm định vị vitme với thân máy

d) Chế tạo:

Hình 6.37: Tấm định vị vitme với thân máy hoàn thiện

6.1.3.2.Gối đỡ vitme

a) Yêu cầu:

- Độ vuông góc giữ các tấm. - Độ phẳng của các mặt phẳng lắp ghép. - Mài các góc sắc bén.

c) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.38: Bản thiết kế gối đỡ

d) Chế tạo:

Hình 6.39: Gối đỡ vitme sau khi gia công hoàn thiện

6.1.3.3. Khớp nối

a) Yêu cầu:

- Độ đồng tâm giữa các lỗ với nhau. - Mài các cạnh sắc bén. - Đầu gắn với vitme có ren. - Đầu gắn với dộng cơ có then.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.40: Mô hình thiết kế 3D của khớp nối

Chế tạo:

Hình 6.41: Khớp nối sau khi chế gia công hoàn thiện

6.1.3.4. Lồng giữ khớp nối

a) Yêu cầu:

- Độ đồng tâm của các lỗ. - Mài các góc sắc bén.

b) Thiết kế chi tiết:

Hình 6.42: Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối

c) Chế tạo:

Hình 6.43: Lồng giữ khớp nối sau khi gia công hoàn thiện

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1. Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đại học: “Nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát khuấy’’ đã hoàn thành được các nhiệm vụ sau:

- Nghiên cứu, tổng hợp lý thuyết về công nghệ hàn ma sát khuấy cũng như dụng

cụ hàn ma sát khuấy phục vụ cho quá trình chế tạo chốt hàn;

- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của máy hàn; - Tính toán, thiết kế kết cấu của máy; - Tính toán hệ dẫn động của máy; - Tiến hành thiết kế, chế tạo các cụm chi tiết của máy hàn ma sát khuấy;

2. Kiến nghị

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn do vừa tham gia học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp, cùng với thời gian đặt hàng một số thiết bị Công nghệ (Biến tần) không cho phép nên chưa thể vận hành thử nghiêm máy hàn. Thiết bị sẽ được vận hành ngay sau khi hoàn chỉnh. Kính mong bộ môn, khoa sẽ tiếp tục tạo điều kiện để tôi có thể tham gia tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới.

- Xây dựng, lắp ráp bộ điều khiển cũng như phát triển phần mềm để có thể tiến

hành thử nghiệm thiết bị trong thời gian gần nhất.

- Nghiên cứu phát triển phần mềm để có thể vận hành máy hàn được các đường

hàn 2D.

- Nghiên cứu phát triển kết cấu, thiết bị điều khiển, phần mềm để có thể vận hành

máy hàn được các đường hàn 3D.

- Trong thời gian sắp tới hy vọng sẽ phát triển đề tài theo hướng tự động hóa cao, với các cơ cấu tự động cấp phôi, điều khiển tự động cơ cấu hạ dao tự động, các loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến tải trọng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, “Tính toán thết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1”, Nhà xuất bản

giáo dục Việt Nam, Tp. HCM, Việt Nam.

Machines and control systems for friction stir welding

[2] A Friction Stir Welding and Processing - Science and Engineering (Springer 2014) [3] [4] The importance of friction stir welding tool [5] A Handbook on Friction Stir Welding _ all kind welding [6] Microstructural evolution and mechanical properties of dissimilar Al-Cu joints. [7] Material of tool friction stir welding [8] Effect-of-Tool-Pin-Profile-on-Mechanical-Strength-on-Friction-Stir-Welded-AA-6063 [9] Friction-stir-processing [10] Friction Stir Welding of Aluminum - Copper [11] Modelling of friction stir welding for robotic implementation [12] Experimental Measurements of Load Distributions on Friction Stir Weld Pin Tools.