Hcmute nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát khuấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2020-62 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2020 Luan van 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 HỒNG KIỆT SV2020-62 TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 Luan van 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: Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật khí Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Thiện Ngơn TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 Luan van /Số năm đào tạo: 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 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Đối tượng phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu ma sát khuấy 2.1.1 Lịch sử phát triển 2.1.2 Nguyên lý hàn ma sát khuấy 2.1.3 Phân loại 2.1.4 Ứng dụng hàn ma sát khuấy 2.2 Thiết bị hàn ma sát khuấy 2.2.1 Máy hàn ma sát khuấy trục phương ngang 2.2.2 Máy hàn ma sát khuấy trục phương đứng: 2.2.3 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng 2.2.4 Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng 10 2.2.5 Máy hàn ma sát khuấy hàn ống dày 11 2.2.6 Robot công nghiệp 12 2.3 Dụng cụ hàn ma sát khuấy 13 2.3.1 Dụng cụ Skew-Stir 14 2.3.2 Dụng cụ Whorl 15 i Luan van 2.3.3 Dụng cụ Triflute 16 2.4 Các lực 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 nước 18 2.5.1 Trong nước 18 2.5.2 Ngoài nước 19 2.6 Định lượng 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 22 3.2.3 Phương án 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 – Thép 24 3.3.2 Phương án 25 3.3.3 Lực chọn phương án 26 3.4 Phương án thiết kế lắp đặt cụm động servo vitme dọc: 27 3.4.1 Phương án 27 3.4.2 Phương án 27 3.4.3 Lựa chọn phương án 28 3.5 Phương án thiết kế lắp đặt cụm động servo vitme ngang 29 3.5.1 Phương án 29 3.5.2 Phương án 29 3.5.3 Lựa chọn phương án 30 ii Luan van 3.6 Phương án thiết kế truyền động từ động sang đầu máy 31 3.6.1 Phương án 31 3.6.2 Phương án 31 3.6.3 Lựa chọn phương án 32 3.7 Phương án điều khiển tốc độ động 33 3.7.1 Phương án 33 3.7.2 Phương án 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 tốn truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo (hoặc nén) 36 4.2.2 Chọn động trục Y 39 4.3 Truyền động trục X 41 4.3.1 Tính tốn truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo/nén 41 4.3.2 Chọn động trục X 44 4.4 Tính tốn chọn động cho trục 44 4.5 Tính tốn thiết kế truyền động đai 45 4.5.1 Thông số đầu vào 45 4.5.2 Tính tốn thiết kế 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 khí 54 6.1.1 Cụm khung đầu máy 54 6.1.1.4 Tấm T che mặt 65 6.1.2 Cụm vitme dọc 70 iii Luan van DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng so sánh phương án chế tạo thân máy 23 Bảng 3.2 Bảng so sánh phương án chế tạo khung 25 Bảng 3.3: Bảng so sánh phương án chế tạo khung 27 Bảng 3.4: Bảng so sánh phương án chế tạo khung 29 Bảng 3.5: Bảng so sánh phương án lắp đặt đai 31 Bảng 3.6: Bảng so sánh hệ thống thay đổi tốc độ trục 34 Bảng 5.1: Bảng kê thiết bị điện điều khiển 52 Bảng 6.1: Thông số thép 58 iv Luan van DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FSW: Friction Stir Welding TWI: Training Within Industry HAZ: Heat Affected Zone MIG: Metal Inert Gas v Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Đường hàn ma sát khuấy Hình 2.2: Nguyên lý hàn ma sát khuấy [2] Hình 2.3: Máy hàn ma sát khuấy trục phương ngang Hình 2.4: Máy hàn ma sát khuấy trục phương đứng [3] Hình 2.5 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng [3] Hình 2.6: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng [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 ĐH Coimbra [3] 12 Hình 2.9: Cấu tạo 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 dụng cụ Skew-StirTM [4] 14 Hình 2.13: Hình dạng dụng cụ WhorlTM [5] 14 Hình 2.14 Các biến thể khác công cụ WhorlTM [7] 15 Hình 2.15 Hình dạng dụng cụ TrifluteTM [9] 16 Hình 2.16 Thiết kể 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 hàn từ thép hộp 22 Hình 3.4: Khung đỡ đầu máy thép 24 Hình 3.5: Khung đỡ đầu máy hàn thép hộp 50x50x6mm 25 Hình 3.6 Cụm động servo dọc lắp bên thân máy 26 Hình 3.7: Cụm động servo dọc lắp bên ngồi thân máy 27 Hình 3.8: Cụm động servo ngang lắp dùng hộp số thẳng 28 Hình 3.9 Cụm động servo ngang lắp dùng hộp số vng góc 29 Hình 3.10: Đầu máy động truyền động đai lắp theo chiều dọc 30 Hình 3.11: Đầu máy động truyền động 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 σmax 39 vi Luan van Hình 4.3: Động AC servo Mitsubishi Driver 40 Hình 4.4: Sơ đồ truyền động trục X 41 Hình 4.5 Đồ thị xác định ứng suất lớn σmax 44 Hình 4.6 Chọn loại tiết diện đai hình thang[1] 46 Hình 4.7 Thơng số đai hình thang[1] 47 Hình 5.1: Sơ đồ kết nói khí cụ điện 52 Hình 6.1 Cụm khung đầu máy sau chế tạo hoàn chỉnh 55 Hình 6.2 Thiết kế cụm khung đỡ đầu máy 56 Hình 6.3 Khung đỡ đầu máy sau gia công hàn 57 Hình 6.4: Khug máy đầu máy mô phần mềm Inventor 58 Hình 6.5: Chọn mặt phẳng cố định 59 Hình 6.6: Mật độ lưới thể phần mềm 59 Hình 6.7 : Mơ tả trọng lực đầu phay gây chuyển vị khung máy 60 Hình 6.8: Chuyển vị theo phương X khơng tải 61 Hình 6.9: Chuyển vị theo Phương Y không tải 61 Hình 6.10: Chuyển vị theo phương Z không tải 62 Hình 6.11: Các lực gây chuyển vị khung máy 63 Hình 6.12: Chuyển vị theo phương X có tải 63 Hình 6.13: Chuyển vị theo phương Y có tải 64 Hình 6.14: Chuyển vị theo phương Z có tải 64 Hình 6.15: Thiết kế puly gắn động 65 Hình 6.16: Puly lắp hồn chỉnh với động 65 Hình 6.17: Thiết kế puly gắn đầu phay 66 Hình 6.18: Puly đầu phay lắp ráp hoàn chỉnh 67 Hình 6.19: Bản vẽ thiết kế T che mặt 68 Hình 6.20: Tấm T sau gia cơng lắp ráp vào khung máy 68 Hình 6.21: Bản vẽ thiết kế 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 gia cơng hồn thiện 70 Hình 6.24: Bản vẽ thiết kế căng đai 71 Hình 6.25: Tấm căng đai sau lắp khép hoàn chỉnh với khung máy 71 Hình 6.26: Bản vẽ định vị vitme với thân máy 72 vii Luan van 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 căng đai c) Chế tạo: Hình 6.25: Tấm căng đai sau lắp khép hoàn chỉnh với khung máy 69 Luan van 6.1.2 Cụm vitme dọc Cụm vitme dọc bao gồm:  Động 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 góc khỏi sắc bén b) Thiết kế chi tiết: Hình 6.26: Bản vẽ định vị vitme với thân máy 70 Luan van c) Chế tạo: Hình 6.27: Tấm định vị mitme với thân máy sau gia công 6.1.2.2 Gối đỡ vitme a) u cầu: - Độ vng góc giữ Độ phẳng mặt phẳng lắp ghép Mài góc sắc bén 71 Luan van c) Thiết kế chi tiết: Hình 6.28: Bản vẽ chi tiết gối đỡ vitme c) Chế tạo: Hình 6.29: Cụm gối đỡ sau gia công lắp gắp hoàn chỉnh vào vỉme 6.1.2.3 Khớp nối a) Yêu cầu: - Độ đồng tâm lỗ với Mài cạnh sắc bén Đầu gắn với vitme có ren Đầu gắn với dộng có then b) Thiết kế chi tiết: 72 Luan van Hình 6.30: Khớp nối 3D c) Chế tạo: Hình 6.31: Khớp nối sau gia cơng hồn chỉnh 6.1.2.4 Lồng giữ khớp nối a) u cầu: - Độ đồng tâm lỗ Mài góc sắc bén b) Thiết kế chi tiết: 73 Luan van Hình 6.32: Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối c) Chế tạo: Hình 6.33: Lồng giữ khớp nối sau chế tạo hoàn thiện 74 Luan van 6.1.3.5 Tấm chặn ổ bi a) Yêu cầu: - Mài góc sắc bén Cắt laser thép 5mm b) Thiết kế chi tiết: Hình 6.34: Bản vẽ thiết kế chặn ổ bi c) Chế tạo: Hình 6.35: Tấm chặn ổ bi sau hoàn thiện 75 Luan van 6.1.3 Cụm vitme ngang Cụm vitme dọc bao gồm: - Động servo Hộp giảm tốc 1:15 Vitme Tấm định vị vitme với thân máy Gối đỡ vitme Khớp nối Ổ bi Lồng giữ khớp nối Tấm chặn ổ bi 6.1.3.1 Tấm định vị vitme với thân máy a) Yêu cầu: - Cắt laser thép 14mm Mài góc khỏi sắc bén b) Thiết kế chi tiết: Hình 6.36: Bản vẽ định vị vitme với thân máy 76 Luan van 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 vng góc giữ Độ phẳng mặt phẳng lắp ghép Mài góc sắc bén 77 Luan van c) Thiết kế chi tiết: Hình 6.38: Bản thiết kế gối đỡ d) Chế tạo: Hình 6.39: Gối đỡ vitme sau gia cơng hồn thiện 78 Luan van 6.1.3.3 Khớp nối a) Yêu cầu: - Độ đồng tâm lỗ với Mài cạnh sắc bén Đầu gắn với vitme có ren Đầu gắn với dộng có then b) Thiết kế chi tiết: Hình 6.40: Mơ hình thiết kế 3D khớp nối Chế tạo: Hình 6.41: Khớp nối sau chế gia cơng hồn thiện 79 Luan van 6.1.3.4 Lồng giữ khớp nối a) Yêu cầu: - Độ đồng tâm lỗ Mài 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 gia cơng hồn thiện 80 Luan van KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Đồ án tốt nghiệp đại học: “Nghiên cứu, thiết kế phát triển máy hàn ma sát khuấy’’ hoàn thành nhiệm vụ sau: - Nghiên cứu, tổng hợp lý thuyết công nghệ hàn ma sát khuấy dụng cụ hàn ma sát khuấy phục vụ cho trình chế tạo chốt hàn; - Nghiên cứu ngun lý hoạt động máy hàn; - Tính tốn, thiết kế kết cấu máy; - Tính tốn hệ dẫn động máy; - Tiến hành thiết kế, chế tạo cụm chi tiết máy hàn ma sát khuấy; Kiến nghị Do thời gian thực đề tài có hạn vừa tham gia học tập thực đồ án tốt nghiệp, với thời gian đặt hàng số thiết bị Công nghệ (Biến tần) không cho phép nên chưa thể vận hành thử nghiêm máy hàn Thiết bị vận hành sau hồn chỉnh Kính mong mơn, khoa tiếp tục tạo điều kiện để tơi tham gia tiếp tục nghiên cứu thời gian tới - Xây dựng, lắp ráp điều khiển phát triển phần mềm để tiến hành thử nghiệm thiết bị thời gian gần Nghiên cứu phát triển phần mềm để vận hành máy hàn đường hàn 2D Nghiên cứu phát triển kết cấu, thiết bị điều khiển, phần mềm để vận hành máy hàn đường hàn 3D Trong thời gian tới hy vọng phát triển đề tài theo hướng tự động hóa cao, với cấu tự động cấp phôi, điều khiển tự động cấu hạ dao tự động, loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến tải trọng 81 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 [2] A Friction Stir Welding and Processing - Science and Engineering (Springer 2014) [3] Machines and control systems for friction stir welding [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 [1] 82 Luan van S K L 0 Luan van ... 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY 3.1 Xác định nguyên lý Từ nguyên lý hàn ma sát khuấy thiết bị hàn ma sát khuấy khảo sát chương 2, nguyên lý máy hàn ma sát khuấy phát triển đề xuất... 2.2.2 Máy hàn ma sát khuấy trục phương đứng: 2.2.3 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng 2.2.4 Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng 10 2.2.5 Máy hàn ma sát khuấy hàn. .. máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng như: 2.2.1 Máy hàn ma sát khuấy trục phương ngang Máy hàn ma sát khuấy sử dụng để hàn sản phẩm hàn có dạng phẳng hàn trịn sản phẩm hình trụ Đây máy đơn với đầu hàn