Nghiên cứu phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy có khả năng hàn đường cong phẳng

Nghiên cứu phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy có khả năng hàn đường cong phẳng Nghiên cứu phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy có khả năng hàn đường cong phẳng Nghiên cứu phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy có khả năng hàn đường cong phẳng Nghiên cứu phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy có khả năng hàn đường cong phẳng

TĨM TẮT Luận văn tổng hợp q trình nghiên cứu, tính tốn, thiết kế chế tạo thiết bị Hàn ma sát khuấy chuyên dụng Việt Nam có khả hàn giáp mối kim loại tấm, nội suy theo quỹ đạo đường cong Luận văn đánh giá vai trò yếu tố lực, độ cứng, độ xác, độ bền vật liệu sử dụng gia công phận máy Ứng dụng phần mềm Mach3 USB điều khiển thiết bị cơ, điện biến tần, động Servo mang đến xác tự động cho trình hàn ma sát khuấy Kết thực nghiệm ổn định hoạt động máy hàn ma sát khuấy, phân tích đánh giá mối hàn phương pháp phương pháp đánh giá trực quan, đánh giá phương pháp kiểm tra độ bền kéo để đưa đề xuất phát triển, cải tiến máy hàn ma sát khuấy ABSTRACT The thesis summarizes the process of researching, calculating, designing and manufacturing a specialized stirring friction welding device in Vietnam capable of welded sheet metal joints, interpolating according to curve trajectories The thesis assesses the roles of force, hardness, accuracy and durability of materials used in the machining of machine parts With the application of Mach3 USB software to control mechanical and electrical devices such as inverters, Servo motors bring precision and automaticity to the friction friction welding process Experimental results show the stability when the operation of the stirring friction welding machine, analyze and evaluate the weld by methods such as visual evaluation method, evaluation by tensile test method to bring Proposals for next development, improved stirring friction welding machine iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FSW: Friction Stir Welding TWI: Training Within Industry HAZ: Heat Affected Zone MIG: Metal Inert Gas RS: Rotation Speed WS: Welding Speed v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng so sánh phương án chế tạo thân máy 47 Bảng Bảng so sánh phương án chế tạo thân đỡ đầu máy 49 Bảng 3 Bảng so sánh phương án chế tạo khung 52 Bảng Bảng so sánh phương án chế tạo khung 54 Bảng 5: Bảng so sánh phương án lắp đặt đai 56 Bảng 6: Bảng so sánh hệ thống thay đổi tốc độ trục 58 Bảng Thông số thép .83 Bảng Bảng kê thiết bị điện điều khiển 105 Bảng đặc điểm kỹ thuật nhôm hợp kim A6061 – T651 111 Bảng 10 thành phần hố học nhơm hợp kim A6061 – T6 111 Bảng 11 Tính chất vật lý nhôm hợp kim A6061 – T6 112 Bảng 12 Kết mẫu hàn qua thông số lựa chọn .117 Bảng 13 Kết mẫu hàn đường cong qua thông số lựa chọn 118 Bảng 14 Đánh giá kết phương pháp trực quan hàn đường thẳng 120 Bảng 15 đánh giá kết phương pháp trực quan hàn đường cong 121 Bảng 16 Kết trực quan sau kiểm tra độ bền kéo 124 Bảng 17 Kết trực quan sau kiểm tra độ bền kéo 130 vi DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình Mô tả nguyên lý hàn ma sát khuấy [2] 44 Hình Thân máy tiện CNC Hitachi Serki 3NE300 46 Hình 3 Khung bệ máy hàn từ thép hộp 46 Hình Khung đỡ đầu máy thép 48 Hình Khung đỡ đầu máy hàn thép hộp 50x50x6mm 49 Hình Cụm động servo dọc Lắp bên thân máy 51 Hình Cụm động servo dọc lắp bên thân máy .52 Hình Cụm động servo ngang lắp dùng hộp số thẳng 53 Hình Cụm động servo ngang lắp dùng hộp số vng góc 53 Hình 10 Đầu máy động truyền động đai lắp theo chiều dọc .55 Hình 11 Đầu máy động truyền động đai lắp theo chiều ngang 56 Hình 12 Biến tần Mitsubishi 58 Hình 13 Thơng số hàn ma sát khuấy vật liệu khác (Lực trục độ dày) .60 Hình 14 Sơ đồ truyền động trục Y 61 Hình 15 Đồ thị xác định ứng suất lớn σmax 64 Hình 3.16 Động AC servo Mitsubishi Driver 65 Hình 17 Sơ đồ truyền động trục X 65 Hình 18 Đồ thị xác định ứng suất lớn σmax 68 Hình 19 Chọn loại tiết diện đai hình thang 70 Hình 3.20 Thơng số đai hình thang 71 Hình 21 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .75 Hình 3.22 Sơ đồ mạch điều khiển 76 Hình 3.23 Sơ đồ mạch điều khiển Servo 76 vii Hình 3.24 Sơ đồ mạch điều khiển biến tần động Phase .77 Hình 25 Sơ đồ mạch Mach3 USB 77 Hình 26 Giao diện phần mềm mach3 78 Hình 27 Nhóm điều khiển chương trình .78 Hình 28 Nhóm vị trí tọa độ trục 79 Hình 29 Cụm khung đầu máy sau chế tạo hoàn chỉnh 80 Hình 30 Thiết kế cụm khung đỡ đầu máy .81 Hình 31 Khung đỡ đầu máy sau gia công hàn 82 Hình 32 Khung máy đầu máy mô phần mềm Inventor 83 Hình 3.33 Chọn mặt phẳng cố định 84 Hình 34 Mật độ lưới thể phần mềm 84 Hình 35 Mơ tả trọng lực đầu phay gây chuyển vị khung máy .85 Hình 36 Chuyển vị theo phương X không tải 85 Hình 37 Chuyển vị theo Phương Y không tải 86 Hình 38 Chuyển vị theo phương Z khơng tải 86 Hình 3.39 Chuyển vị theo phương X có tải 87 Hình 40 Chuyển vị theo phương Y có tải 87 Hình 41 Chuyển vị theo phương Z có tải 88 Hình 42 Thiết kế puley gắn động .88 Hình 43 Puley lắp hồn chỉnh với động 89 Hình 44 Thiết kế puley gắn đầu phay 90 Hình 45 Puley đầu phay lắp ráp hoàn chỉnh 90 Hình 46 Bản vẽ thiết kế T che mặt 91 Hình 3.47 Tấm T sau gia công lắp ráp vào khung máy 91 Hình 48 Bản vẽ thiết kế mặt bích gắn với khung 92 viii Hình 49 Bản vẽ thiết kế bạc đỡ đầu máy phay .92 Hình 3.50 Bạc đỡ sau gia cơng hồn thiện 93 Hình 51 Bản vẽ thiết kế căng đai 94 Hình 52 Tấm căng đai sau lắp khép hồn chỉnh với khung máy 94 Hình 53 Bản vẽ định vị vitme với thân máy 95 Hình 3.54 Tấm định vị mitme với thân máy sau gia cơng 96 Hình 55 Bản vẽ chi tiết gối đỡ vitme .96 Hình 56 Cụm gối đỡ sau gia cơng lắp gắp hồn chỉnh vào vitme .97 Hình 3.57 Khớp nối 3D .97 Hình 58 Khớp nối sau gia cơng hồn chỉnh 98 Hình 3.59 Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối 98 Hình 3.60 Lồng giữ khớp nối sau chế tạo hoàn thiện 99 Hình 3.61 : Bản vẽ thiết kế chặn ổ bi 99 Hình 62 Tấm chặn ổ bi sau hoàn thiện 100 Hình 63 Bản vẽ định vị vitme với thân máy 101 Hình 3.64 Tấm định vị vitme với thân máy hoàn thiện 101 Hình 65 Bản thiết kế gối đỡ 102 Hình 66 Gối đỡ vitme sau gia cơng hồn thiện 102 Hình 3.67 Mơ hình thiết kế 3D khớp nối 103 Hình 68 Khớp nối sau chế gia cơng hồn thiện 103 Hình 3.69 Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối 104 Hình 70 Lồng giữ khớp nối sau gia cơng hồn thiện 104 Hình 71 Thiết kế 3D tủ điện máy hàn ma sát khuấy 107 Hình 3.72 Mạch mach3 lắp, đấu nối dùng hộp bảo vệ .107 ix Hình 3.73 Bộ phận động lực máy hàn ma sát (Bao gồm cấp điện phase phase 108 Hình 74 Biến tần Mitsubishi FR-F740-7.5K 108 Hình 75 Driver servo mitshubishi J2S – 40A – 400W .109 Hình 3.76 Đấu nối hồn tất khí cụ điện lên tủ điện 109 Hình 77 Máy hàn ma sát khuấy sau lắp ráp hồn chỉnh .110 Hình 78 Dụng cụ hàn ma sát khuấy 112 Hình 3.79 Đồ gá hàn đường cong 113 Hình 80 Biểu đồ liên hệ lực kéo biến dạng kéo .122 Hình 81 Kích thước mẫu kéo 123 Hình 82 Biểu đồ thể rung động máy trạng thái 139 x MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH vii MỤC LỤC xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .3 1.1.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 1.1.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài .3 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.2.1 Mục tiêu tổng quát 1.2.2 Mục tiêu cụ thể 1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4 KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN .5 1.5 GIỚI THIỆU VỀ MA SÁT KHUẤY .5 1.5.1 Lịch sử phát triển .5 1.5.2 Phạm vi ứng dụng hàn ma sát khuấy .7 1.6 TỒN TẠI VÀ THỰC TRẠNG HÀN MA SÁT KHUẤY TẠI VIỆT NAM 1.7 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 10 xi 1.7.1 Ngoài nước: .10 1.7.2 Trong nước 11 1.8 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 13 1.9 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 1.9.1 Nội dung nghiên cứu 13 1.9.2 Phương pháp nghiên cứu .15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 NGUYÊN LÝ HÀN MA SÁT KHUẤY 16 2.2 PHÂN LOẠI .16 2.3 NHIỆT TRONG CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT KHUẤY 17 2.3.1 Các vùng chịu nhiệt 17 2.3.2 Đặc điểm trình sinh nhiệt .19 2.4 NHỮNG KHUYẾT TẬT THƯỜNG GẶP KHI HÀN MA SÁT KHUẤY 21 2.5 ỨNG DỤNG CỦA HÀN MA SÁT KHUẤY 23 2.5.1 Thế Giới 23 2.5.2 Trong nước 24 2.6 CÁC LỰC TRONG HÀN MA SÁT KHUẤY 24 2.6.1 Các lực hàn ma sát khuấy 24 2.7 THIẾT BỊ HÀN MA SÁT KHUẤY 25 2.7.1 Kết cấu loại máy/thiết bị hàn Ma sát khuấy 26 2.7.2 Các loại máy hàn ma sát khuấy 31 2.8 DỤNG CỤ HÀN MA SÁT KHUẤY 38 2.8.1 Dụng cụ Skew-Stir 40 2.8.2 Dụng cụ Whorl .41 2.8.3 Dụng cụ Triflute [2] .42 xii CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44 3.1 THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY 44 3.1.1 Xác định nguyên lý 44 3.1.2 Đề xuất Phương án kết cấu 44 3.2.1 Xác định lực hàn 59 3.2.2 Truyền Động Trục Y 60 3.2.3 Truyền Động Trục X .65 3.2.4 Tính Tốn Chọn Động Cơ Cho Trục Chính 69 3.2.5 Tính Tốn Thiết Kế Bộ Truyền Động Đai 69 3.3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 75 3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .75 3.3.2 Phần Mềm Điều Khiển Mach3 Usb 77 3.4 CHẾ TẠO THIẾT BỊ 79 3.4.1 Chế tạo chi tiết khí 79 3.5 THỰC NGHIỆM HÀN ĐOẠN VÀ ĐƯỜNG CONG 110 3.5.1 Mục đích thực nghiệm 110 3.5.2 Phương pháp thực nghiệm 111 3.5.3 Đề xuất vật liệu hàn thực nghiệm .111 3.5.4 Dụng cụ hàn ma sát khuấy 112 3.5.5 Thiết kế đồ gá .112 3.5.7 Mẫu thực nghiệm 116 3.5.8 Đánh giá kết 119 3.5.9 Đánh giá dựa kết thực nghiệm máy hàn ma sát 134 3.6 THỰC NGHIỆM ĐO RUNG ĐỘNG 135 4.1 KẾT LUẬN 140 xiii - Việc hạ đầu khuấy tay nhược điểm lớn vệc chế tạo máy Đề xuất cải tiến bổ sung thêm Servo điều khiển trự Z để trình lên,xuống trục Z thực dễ dàng - Các thực nghiệm chưa triển khai đa dạng, thời gian nghiên cứu có hạn việc thực nghiệm biên dạng phức tạp cần chế tạo dụng cụ gá phù hợp, đảm bảo cứng vững Hầu hết đồ gá phù hợp với biên dạng hàn đường cong phức tạp đòi hỏi thời gian gia công lâu 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Prof Bharat Raj Singh A Hand Book on Friction Stir Welding Publisher: LAP Lambert Academic Publishing, 2012 [2] R.S Mishra, Z.Y Ma Friction stir welding and processing, Materials Science and Engineering, Volume 50, Issues 1–2, pp.1, 31 August 2005 [3] Lienert T J., Stellwag Jr W L., Grimmett B.B., and Warke R., "Friction Stir Welding Studies on Mild Steel", Weld J., 2003 [4] Nuno Mendes, Pedro Neto, Altino Loureiro, António Paulo Moreira, “Machines and control systems for friction stir welding: A review”, 2016 [5] Crawford, R., Cook, G.E., Strauss, A.M and Hartman, D.A (2006) ‘Modelling of friction stir welding for robotic implementation’ , Int J Modelling, Identification and Control, Vol 1, No 2, pp.101–106 [6] G E Cook, R Crawford, D E Clark, A M Strauss, "Robotic friction stir welding," Industrial Robot-An International Journal, vol.31, pp 55–63, 2004 [7] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, “Tính tốn thết kế hệ dẫn động khí tập 1”, Nhà xuất giáo dục Việt Nam, Tp HCM, Việt Nam [8] Shigley JE Mechanical Engineering Design, 8th ed., Tata McGraw Hill: New Delhi, 2008 [9] Sandra Zimmer, Laurent Langlois, Julien Laye, Jean-Claude Goussain, Patrick Martin, Régis Bigot, “Influence of processing parameters on the tool and workpiece mechanical interaction during Friction Stir Welding” International Journal of Material Forming, Springer Verlag, 2009 [10] FSW Generalities and activities at Institut de Soudure [11] Lohwasser D, Chen Z (2010) Friction stir welding — From basics to applications Woodhead Publishing, Chapter 5, Pages 118–163 [12] Delany F, Kallee SW, Russell MJ (2007) Friction stir welding of aluminium ships International Forum on Welding Technologies in the Shipping Industry (IFWT) 142 [13] Max Hossfeld, “Challenges and State of the Art in Industrial FSW – Pushing the Limits by High Speed Welding of Complex 3D Contours” [14] TS Vũ Văn Ba “Nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối nhôm A1100” Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Nam Định [15] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Cơng Hịa “Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhơm AA7075” Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản [16] PGS TS Trần Thiên Phúc “Nghiên cứu thông số đầu lực cắt mối hàn ma sát khuấy có gia nhiệt trước” 143 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ HÀN MA SÁT KHUẤY CÓ KHẢ NĂNG HÀN ĐƯỜNG CONG PHẲNG RESEARCH AND DEVELOPMENT OF FRICTION STIR WELDING EQUIPMENT FOR PERFORMING CURVE INTERPOLATIONS Dang Thien Ngon1Nguyen Doan Xuan Truong1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy chuyên dụng có khả hàn đường cong giáp mối kim loại yếu tố lực, độ cứng, độ xác hàn máy xem xét đến Nguyên lý kết cấu máy bàn máy thực chuyển động X,Y để thực trình hàn đường cong điều khiển hệ thống Servo, Kết thử nghiệm hàn đường cong mối hàn giáp mối nhôm 6061 dày 10mm cho thấy máy hoạt động tin cậy Mối hàn đạt độ bền khéo khoảng 60% so với kim loại với chế độ hàn n = 1700 vịng/phút F = 7mm/phút Từ khóa: Hàn ma sát khuấy;hàn giáp mối; độ cứng vững; hàn đường cong ABSTRACT The article presents the research, calculation, design and manufacture of a specialized stir friction welding equipment Which is has capable of welding sheet metal butt weld curves Besides the factors of force, hardness, accuracy The welding accuracy of the machine is also considered The structural principle of the machine is that the table will perform X,Y movements to perform the curve welding process and is controlled by the servo system, Testing results when welding the butt weld curve on aluminum sheet 6061 10mm thick shows that the machine works reliably The weld has a good strength of about 60% compared to the base metal with the welding mode n = 1700 rpm and s = 7mm/min Keywords: Friction stir welding; butt welding; firmness; curve welding TỔNG QUAN Trong năm gần đây, với phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ Tự động hóa q trình sản xuất tự động hóa q trình cơng nghệ u cầu thiết, cơng nghệ tiên tiến tự động hóa thể qua trang thiết bị, máy móc, cơng cụ kỹ thuật điều khiển để tự động hóa q trình sản xuất Phương pháp hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) phương pháp hiệu khắc phục tốt số nhược điểm phương pháp hàn trước Hàn ma sát khuấy kim loại sau tịnh tiến dọc theo phần tiếp xúc kim loại ấy.[1][4] Hình Đường hàn ma sát khuấy [2] Hình2 Nguyên lý hàn ma sát khuấy có bước tiến quan trọng năm gần đây, xem công nghệ xanh sử dụng lượng hiệu tác động đến môi trường [1] Các thực nghiệm hàn ma sát khuấy cơng bố bái báo, cơng trình nghiên cứu chủ yếu tiến hành máy phay đứng vạn Ít có cơng bố liên quan đến nghiên cứu tiến hành máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng.[1] Vì báo tập trung Nghiên cứu phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy có khả hàn đường cong phẳng góp phần phục vụ công tác nghiên cứu phổ biến công nghệ hàn ma sát khuấy chế tạo khí Việt Nam Ngoài ra, bước làm chủ công nghệ thiết kế đại, ứng dụng kỹ thuật tiên tiến giá thành chế tạo phù hợp với lực đầu tư đơn vị chế tạo khí nước Vật liệu bị mềm nhiệt từ ma sát lực ép từ vai dụng cụ liên kết vật liệu hai bên phơi hàn với Do vật liệu khơng nóng chảy nên tính chất mối hàn tốt, tính đảm bảo, hạn chế khuyết tật.[4] 2.2 Các lực hàn ma sát khuấy Các lực phát sinh trình hàn ma sát khuấy bao gồm: [5] - Lực dọc trục Fz xác định chủ yếu vật liệu tốc độ di chuyển ngang Các thông số khác ảnh hưởng không nhiều đến lực - Lực hướng di chuyển Fx lực tác dụng ngang song song với chuyển động chốt hàn theo chiều dương chuyển động Khi xuất lực dọc X dẫn đến cản trở vật liệu đến đến chuyển động chốt hàn - Lực ngang Fy lực ngang tác động vng góc với hướng di chuyển chốt hàn CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy Hàn ma sát khuấy sử dụng đầu khuấy có khả quay chèn vào Hình Các lực tác dụng lên chốt hàn, hệ trục tọa độ định nghĩa chiều dương cạnh tiến mối hàn 2.3 Dụng cụ hàn ma sát khuấy Dụng cụ hàn ma sát khuấy hay gọi chốt hàn thành phần vơ quan trọng cho q trình hàn ma sát khuấy Hình Cấu tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy Dụng cụ hàn cấu tạo gồm bốn phần sau: - Chuôi: Phần dùng để lắp vào trục quay máy góp phần tạo moment xoắn, tạo lực quán tính giúp dụng cụ tới dễ dàng - Vai dụng cụ: Tiếp xúc với bề mặt phôi hàn, sinh nhiệt ma sát 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 mối hàn di chuyển vật liệu từ trước sau dụng cụ dụng cụ tới, khuấy vật liệu từ đỉnh đầu cắt lên phần vai dụng cụ - Đỉnh đầu khuấy: Tạo nhiệt ma sát với phần gần với mép vật hàn Lượng nhiệt lượng nhiệt ma sát giữ vai dụng cụ với bề mặt vật liệu cộng với lượng nhiệt trình biến dạng dẻo làm mềm vật liệu xung quanh đầu khuấy Hình Các biến thể khác dụng cụ hàn ma sát khuấy KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Xác định nguyên lý máy hàn ma sát Từ nguyên lý hàn ma sát khuấy thiết bị hàn ma sát khuấy khảo sát trên, nguyên lý máy hàn ma sát khuấy đề xuất hình ma sát khuấy vật liệu khác cụ thể bảng [7] Các lực đề xuất tiến hành mô Fx = 4000 N Fy = 4000N Fz = 12000N Mz = 80000 N.mm Hình Mơ tả nguyên lý hàn ma sát khuấy Trong đó: Dụng cụ hàn gắn vào đầu kẹp nhận chuyển động xoay từ truyền động (đai, hộp số); Chuyển động ngang thực chuyển động bàn máy; Đầu xoay tạo nhiệt gắn kết kim loại vào với Ma sát làm cho nhiệt độ vùng hàn tăng nhanh, làm chảy dẻo, khuếch tan, liên kết Hình Các thơng số lực hàn ma sát khuấy thí nghiệm thực Tiến hành mô độ bền khung máy trạng thái không tải phần mềm Inventor 2020 Kiểu phân tích: Static Analysis 3.2 Đề xuất lực hàn yếu tố để mô Dựa kết thí nghiệm trường đại học Vanderbilt phịng thí nghiệm quốc gia Los Alamos thí nghiệm Đại học Bringham Young.[3] Ta có số thơng số tham chiếu từ kết thí nghiệm cơng bố việc hàn Hình Mật độ lưới thể phần mềm Bảng 1: Kết mô chuyển vị đầu máy trạng thái không tải Phương chuyển vị Kết Bảng Kết mô chuyển vị đầu máy trạng thái có tải Phương chuyển vị Kết Tối đa 0.001645mm Tối đa 0.01467 mm Phương X Tối đa 0.03343 mm Phương X Phương Y Tối đa 0.1033 mm Tối đa 0.02253 mm Phương Y Phương Z Tối đa 0.06627 mm Nhận xét: Ở trạng thái không tải cụm khung đầu máy mang đầu khuấy chuyển vị hồn tồn khơng ảnh hưởng phá hủy hư hỏng máy đứng yên Phương Z Nhận xét: Ở trạng thái có tải giá trị thơng số chuyển vị cụm đầu máy nhỏ, không đáng kể cao chuyển vị theo phương X giá trị 1/10mm 3.3 Tính tốn chọn truyền Vitme trục X Sơ đồ truyền động trục X trình bày hình 4.1,3.F𝑎 𝐾] Theo điều kiện bền ta có : d1 ≥ √ π.[𝜎 Hình Sơ đồ truyền động trục X Khối lượng bàn máy: mbàn máy = 500 Kg Fa=Fx+Nbàn máy = 4000+5000= 9000 N 4.1,3.𝐹𝑎 𝐾] Theo điều kiện bền ta có : d1 ≥ √ 𝜋.[𝜎 Trong : - d1 đường kính vít me (mm) - Fa lực dọc trục - [𝜎𝐾 ] = [𝜎𝑛 ] = [𝜎ch ] Với 𝜎ch giới hạn chảy vật liệu làm vít Trục vít me làm từ thép C45, có [𝜎𝑐ℎ ] 360 (MPa) => [𝜎𝐾 ] = 120 (MPa) Thay giá trị vào ta giá trị d1 4.1,3.𝐹𝑎 𝐾] = √ 𝜋.[𝜎 4.1,3.9000 =√ 𝜋.120 = 11,14 (mm) Chọn d1 = 28 (mm) 3.4 Tính toán chọn truyền Vitme trục Y Sơ đồ truyền động trục Y trình bày hình 10 Trong : - d1 đường kính vít me (mm) - Fa lực dọc trục: Fa = Fx+mbàn máy trên= 4000 + 2500 = 7500 N - [𝜎𝐾 ] = [𝜎𝑛 ] = [𝜎ch ] Với 𝜎ch giới hạn chảy vật liệu làm vít Trục vít me làm từ thép 45, có [𝜎ch ]là 360 (MPa) => [𝜎𝐾 ] = 120 (MPa) Thay giá trị vào ta giá trị d1 4.1,3.𝐹𝑎 𝐾] = √ 𝜋.[𝜎 4.1,3.7500 =√ 𝜋.120 = 10,17 (mm) Chọn d1 = 28 (mm) Chọn động AC servo để truyền chuyển động cho trục X Y có gắn hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1/25 cho trục X 1/15 cho trục Y 3.5 Thiết kế điều khiển Yêu cầu điều khiển: - Mạch điều khiển xem trái tim máy công cụ điều khiển số - Các lệnh thực bên điều khiển thông báo cho mơ tơ chuyển động quay số vịng cần thiết →trục vit me bi quay số vòng quay tương ứng → kéo theo chuyển động thẳng bàn máy Hình 10 Sơ đồ truyền động trục X - Các thiết bị cảm biến phản hồi phần mềm kết thúc hành trình xảy cố q trình hàn 3.6 Chế tạo cụm thiết bị Các thiết bị chế tạo hoàn chỉnh trình bày hình 14 Hình 11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình 14 Hệ thống máy gia cơng lắp ráp hồn chỉnh 3.7 Thực nghiệm 3.7.1 Hàn đường thẳng 3.7.1.1 Chuẩn bị phơi - Kích thước tấm: 120mm x 140mm x 10mm Hình 12 Sơ đồ mạch điều khiển Chức điều khiển phần mềm mach3: - Vật liệu: Nhôm A6061 – T6 - Số mẫu hàn: mẫu (6 tấm) - Điều khiển động trục chính, động trục X, động trục Y; - Cho phép đặt thông số xác định vị trí hàn, xác đinh quỹ đạo hàn, - Dừng khẩn cấp có cố xảy Hình 15 Kích thước nhơm 6061-T651 3.7.1.2 Chế độ hàn Thơng số Hình 13 Board mạch giao diện Mach3 Mẫu Mẫu Mẫu Tốc độ trục 1350 (rpm) (n) v/p 1550 v/p 1700 v/p Tốc độ tiến đầu khuấy (mm) (F) (PS) 14mm 7mm 10mm Bảng 3: Thông số hàn ma sát khuấy đề xuất Chế độ hàn Mẫu kết hàn 3.7.2.2 Chế độ hàn M ẪU Mẫu Hình 16 Quỹ đạo hàn đường cong Mẫu Mẫu Bảng 4: Kết mẫu hàn đường thẳng Nhận xét: Các cấu khí hệ thống điều khiển hoạt động ổn định, thông số hàn n = 1700 vòng/phút F = 7mm/phút ta quan sát mắt thường mối hàn đẹp, mịn, bị khuyết tật Thông số Mẫu Mẫu Mẫu Tốc độ trục (rpm) (n) 1350 v/p 1550 v/p 1700 v/p 14mm 7mm Tốc độ tiến đầu 10mm khuấy (mm) (F) Bảng 5: Thông số hàn ma sát khuấy đường cong đề xuất STT 3.7.2 Hàn đường cong 3.7.2.1 Chuẩn bị phôi - Quỹ đạo đường cong đề xuất: - Kích thước vật liệu hàn: 140mm x 240mm x 10mm - Tiến hành cắt dây vật liệu theo quỹ đạo đường cong đề xuất thực nghiệm - Số mẫu hàn: mẫu Kết Mẫu hàn 3.7.4 Đánh giá phương pháp kéo mẫu hàn 3.7.4.1 Chuẩn bị mẫu kéo Bảng 6: Kết mẫu hàn ma sát đường cong Nhận xét: Các cấu khí hệ thống điều khiển hoạt động ổn định, qua quan sát mắt thường ta thấy mối hàn sử dụng chế độ hàn n = 1700 vòng/Phút; F = mm/Phút có bề mặt đẹp, mịn, khuyết tật 3.7.3 Đánh giá phương pháp trực quan Các phận khí làm việc điều kiện có tải đáp ứng u cầu Chính xác đảm bảo lực, momen giả thuyết ban đầu Q trình vận hành máy có tạo rung động mức độ nhỏ, không ảnh hưởng nhiều chất lượng đường hàn, cần đo kiểm thiết bị chuyên dụng đo rung động Đánh giá chung đường hàn mẫu với thông số hàn khác nhau, nói chất lượng đường hàn đồng đều, khuyết tật gây tương đối quan sát trực quan Hình 17 Sơ đồ cắt dây mẫu kéo Hình 18 Kích thước mẫu kéo Để kiểm tra xác định độ bền kéo kim loại hợp kim Quy trình kiểm tra tính nhôm thông thường bao gồm: mẫu giữ chặt cố định đầu ngàm, sau đặt tải trọng vào đầu, tăng dần tải kéo mẫu dọc trục mẫu kéo đứt, ghi lại tham số điểm biến dạng đánh giá kết quả, tùy theo tính chất vật liệu dẻo (thép, đồng, nhôm…) Mẫu vật liệu Lực kéo - Ứng suất 65kN – 325 Mpa 63kN - 315 Mpa 61kN - 305 Mpa Trung bình 63kN - 315 Mpa Bảng Lực kéo ứng suất kéo đứt mẫu vật liệu Ứng suất kéo trình hàn đường cong thấp ứng suất kéo trình hàn đường thẳng (sấp xỉ 50% so với ứng suất kéo vật liệu nền) cho thấy chênh lệch thiếu ổn định di chuyển đường cong, phù hợp với tính chất hàn ma sát nêu phần sở lý thuyết KẾT LUẬN Với nghiên cứu thực nghiệm tiến hành thấy thiết bị chế tạo phù hợp để gia công hàn ma sát hàn giáp mối kim loại cụ thể nhôm 6061-T651 Khả hàn đường cong chất lượng mối hàn máy ổn định, tiến hành đánh giá so sánh hàn đường cong hàn đường thẳng cho thấy máy hoạt động bình thường, xác Các cấu khí, thiết bị điện tử hoạt động ổn định Hình 19 Máy kiểm tra độ bền kéo trường ĐH SPKT TP HCM 3.7.4.2 Kết thí nghiệm kéo Kết thử nghiệm hàn đường cong mối hàn giáp mối nhôm 6061 dày 10mm với chế độ hàn n = 1700 vòng/phút F= mm/phút cho mối hàn đạt 60% độ bền kéo so với vật liệu LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, Quý Thầy/Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, Trường Cao đẳng Cơng nghệ Thủ Đức hỗ trợ trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị hàn ma sát khuấy có khả hàn đường cong phẳng Bảng 8: Kết kiểm tra độ bền kéo mẫu hàn đường cong đường thẳng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Prof Bharat Raj Singh A Hand Book on Friction Stir Welding Publisher: LAP Lambert Academic Publishing, 2012 [2] R.S Mishra, Z.Y Ma Friction stir welding and processing, Materials Science and Engineering, Volume 50, Issues 1–2, pp.1, 31 August 2005 [3] Lienert T J., Stellwag Jr W L., Grimmett B.B., and Warke R., "Friction Stir Welding Studies on Mild Steel", Weld J., 2003 [4] Nuno Mendes, Pedro Neto, Altino Loureiro, António Paulo Moreira, “Machines and control systems for friction stir welding: A review”, 2016 [5] Crawford, R., Cook, G.E., Strauss, A.M and Hartman, D.A (2006) ‘Modelling of friction stir welding for robotic implementation’ , Int J Modelling, Identification and Control, Vol 1, No 2, pp.101–106 [6] G E Cook, R Crawford, D E Clark, A M Strauss, "Robotic friction stir welding," Industrial Robot-An International Journal, vol.31, pp 55–63, 2004 [7] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, “Tính tốn thết kế hệ dẫn động khí tập 1”, Nhà xuất giáo dục Việt Nam, Tp HCM, Việt Nam [8] Shigley JE Mechanical Engineering Design, 8th ed., Tata McGraw Hill: New Delhi, 2008 [9] Sandra Zimmer, Laurent Langlois, Julien Laye, Jean-Claude Goussain, Patrick Martin, Régis Bigot, “Influence of processing parameters on the tool and workpiece mechanical interaction during Friction Stir Welding” International Journal of Material Forming, Springer Verlag, 2009 [10] FSW Generalities and activities at Institut de Soudure [11] Lohwasser D, Chen Z (2010) Friction stir welding — From basics to applications Woodhead Publishing, Chapter 5, Pages 118–163 [12] Delany F, Kallee SW, Russell MJ (2007) Friction stir welding of aluminium ships International Forum on Welding Technologies in the Shipping Industry (IFWT) [13] Max Hossfeld, “Challenges and State of the Art in Industrial FSW – Pushing the Limits by High Speed Welding of Complex 3D Contours” [14] TS Vũ Văn Ba “Nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối nhôm A1100” Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Nam Định [15] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Cơng Hịa “Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhơm AA7075” Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 039.604.3620 Email: truongndx@hcmute.edu.v ... động, thông số thiết kế kết cấu thiết bị hàn ma sát khuấy có khả hàn đường cong phẳng (2D) mối hàn giáp mối tấm; Tính tốn, thiết kế, kiểm nghiệm thiết kế thiết bị hàn ma sát khuấy 2D; Thiết kế điều... thồng số thiết kế kết cấu thiết bị hàn ma sát khuấy có khả hàn đường cong phẳng (2D) mối hàn giáp mối tấm; - Tính tốn, thiết kế, kiểm nghiệm thiết kế thiết bị hàn ma sát khuấy 2D; - Thiết kế... hướng lên đẩy chốt hàn ngược lên 2.7 THIẾT BỊ HÀN MA SÁT KHUẤY Hàn ma sát khuấy thực máy có chuyển động tương tự q trình hàn ma sát khuấy máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng, thiết bị hàn gắn vào phận