nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon epoxy và glass epoxy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG -------------- NGUYỄN HỮU TRUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TẠO MẪU THỬ COMPOSITE DẠNG BĂNG TẨM CARBON/EPOXY VÀ GLASS/EPOXY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: KỸ THUẬT TÀU THỦY Khánh Hòa, năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG -------------- NGUYỄN HỮU TRUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TẠO MẪU THỬ COMPOSITE DẠNG BĂNG TẨM CARBON/EPOXY VÀ GLASS/EPOXY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: KỸ THUẬT TÀU THỦY GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS. PHẠM THANH NHỰT Khánh Hòa, năm 2015 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên : Nguyễn Hữu Trung MSSV : 53131898 Khoa : Kỹ thuật giao thông Lớp : 53 KTTT Ngành : Kỹ thuật tàu thủy Tên đề tài : " Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy " Số trang : 56 Số chương : 4 Số tài liệu tham khảo : 11 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... Kết luận: ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... Nha Trang, ngày….tháng….năm 2015. GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) TS. Phạm Thanh Nhựt PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Nguyễn Hữu Trung MSSV : 53131898 Lớp : 53 KTTT Khoa : Kỹ thuật giao thông Ngành : Kỹ thuật tàu thủy Tên đề tài : " Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy " Số trang : 56 Số chương : 4 Số tài liệu tham khảo : 11 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... Đánh giá chung: ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ĐIỂM CHUNG Nha Trang, ngày….tháng….năm 2015. CÁN BỘ PHẢN BIỆN Bằng số Bằng chữ (Ký và ghi rõ họ tên) ĐỀ CƯƠNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy.” Nghành: Kỹ thuật tàu thủy. Giáo viên hướng dẫn: TS. PHẠM THANH NHỰT. Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HỮU TRUNG. Mã số sinh viên: 53131898. Lớp: 53KTTT. Đại chỉ: 8B Nguyễn Đình Chiểu- Nha Trang-Khánh Hòa. Số điện thoại: 01683960291. Thời gian hoàn thành đề tài cho phép: Từ ngày 2-2-2015 đến ngày 15-6-2015. I. ĐỐI TƯỢNG MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. 1. Đối tượng nghiên cứu. - Vật liệu composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy. - Thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm theo phương pháp thủ công. 2. Mục tiêu nghiên cứu. - Thiết kếvà chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy bằng phương pháp thủ công. 3. Phạm vi nghiên cứu. - Nghiên cứu chế tạo thiết bị, và mẫu thử bằng phương pháp thủ công trong phòng thí nghiệm. II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Chương 1: Đặt vấn đề 1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu. 1.2. Mục tiêu đối tượng và phương pháp nghiên cứu. 1.3. Nội dung nghiên cứu. Chương 2: Tính toán, thiết kế thiết bị. 2.1. Yêu cầu kinh tế kỹ thuật. 2.2. Tính toán thiết kế. Chương 3: Chế tạo thử nghiệm thiết bị và mẫu thử. 3.1. Chế tạo thử nghiệm thiết bị. 3.2. Chế tạo mẫu thử. 3.3. Đánh giá kết quả. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 4.1. Kết luận. 4.2. Kiến nghị. III. KẾ HOẠCH VÀ THỜI GIAN HOÀN THÀNH. Nghiên cứu tài liệu và lập đề cương chi tiết cho đồ án: Từ ngày 2-2-2015 đến ngày 10-2-2015. Trình bản thảo chương 1: Đặt vấn đề. Từ ngày 10-2-2015 đến ngày 5-3-2015. Trình bản thảo chương 2: Tính toán thiết kế thiết bị.+ Bản vẽ thiết kế thiết bị.Từ ngày 5-3-2015 đến ngày 5-4-2015. Trình bản thảo chương 3:Chế tạo thử nghiệm thiết bị và mẫu thử. + Sản phẩm chế tạo và kết quả thử nghiệm.Từ ngày 5-4-2015 đến ngày 6-5-2015. Trình bản thảo chương 4: Kết luận và kiến nghị. Từ ngày 6-5-2015 đến ngày 66-2015. Nộp đồ án và kết quả thực hiện trước ngày 15-6-2015. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là TS. Phạm Thanh Nhựt. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá, kết quả cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thể hiện ở phần tài liệu tham khảo. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về kết quả đồ án tốt nghiệp của mình. Khánh Hòa, ngày 15 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hữu Trung ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ............................................................................................................ i MỤC LỤC. ......................................................................................................................ii DANH MỤC BẢNG BIỂU. ........................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH VẼ. ................................................................................................. v LỜI NÓI ĐẦU. ..............................................................................................................vii CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ ...........................................................................................1 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU....................................................... ...1 1.1.1. Giới thiệu về vật liệu composite. .................................................................... 1 1.1.1.1. Giới thiệu chung. .................................................................................... 1 1.1.1.2. Phân loại, cấu tạo và ứng dụng vật liệu composite................................. 2 1.1.2 Composite dạng băng tẩm và phương pháp chế tạo. ...................................... 3 1.1.2.1. Khái niệm về composite dạng băng tẩm. ................................................. 3 1.1.2.2. Đặc tính cơ học vật liệu composite dạng băng tẩm. ................................. 4 1.1.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn. ................................................................................................................... 6 1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................ 7 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. ...................................................................... 7 1.2.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài. .................................................................... 7 1.2.3. Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................... 7 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. .................................................................................. 8 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ ...................................................... 9 2.1. YÊU CẦU KINH TẾ - KỸ THUẬT. .................................................................... 9 2.1.1. Yêu cầu kinh tế. ............................................................................................. 9 2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật. ........................................................................................... 9 2.2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ. ..................................................................................... 9 2.2.1. Xây dựng mô hình thiết bị. ................................................................................... 9 2.2.2. Chọn vật liệu chế tạo. .................................................................................. 10 2.2.3. Tính chọn thiết bị gia nhiệt tạo nhiệt độ. ..................................................... 12 2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện nhiêt. ................................................. 12 2.2.3.2. Tính chọn điện trở theo phương pháp trực tiếp. ................................... 13 2.2.3.3. Tính chọn điện trở theo phương pháp nung nóng gián tiếp.................. 16 iii 2.2.3.4. Lựa chọn cảm biến nhiệt và vật liệu cách nhiệt. ................................ 20 2.2.4. Tính chọn thiết bị nén tạo áp lực. ................................................................ 22 2.2.4.1. Các thông số hình học của lo xo xoắn ốc chịu nén............................... 22 2.2.4.2. Lựa chọn và tính toán lò xo nén. .......................................................... 24 2.2.4.3. Tính chọn trục vít đai ốc để tạo lực nén. .............................................. 27 3.1. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ. ............................................................... 31 3.1.1. Công tác chuẩn bị. ....................................................................................... 31 3.1.1.1. Chuẩn bị nguyên vật liệu. ..................................................................... 31 3.1.1.2. Chuẩn bị bản vẽ. ................................................................................... 31 3.1.2.1. Quy trình chế tạo cốt và tấm ép. ........................................................... 32 3.1.2.2. Quy trình chế tạo phần vỏ thiết bị. ....................................................... 35 3.1.2.3. Kiểm tra. ............................................................................................... 42 3.2. CHẾ TẠO MẪU THỬ. ........................................................................................ 43 3.2.1. Công tác chuẩn bị. ....................................................................................... 43 3.2.2. Quy trình chế tạo mẫu thử. .......................................................................... 43 3.2.3. Thử nghiệm mẫu. ......................................................................................... 45 3.2.3.1. Quy định về mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO R 527. ................................ 45 3.2.3.2. Chế tạo mẫu thử tiêu chuẩn. ................................................................. 46 3.2.4. Kết quả thử nghiệm...................................................................................... 49 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ............................................................ 52 4.1. KẾT LUẬN. ......................................................................................................... 53 4.2. KIẾN NGHỊ. ........................................................................................................ 53 4.2.1. Kiến nghị sử dụng thiết bị. .......................................................................... 53 4.1.1.1. Thời gian làm việc. ............................................................................... 53 4.1.1.2. Kiểm tra hệ thống thiết bị chế tạo mẫu composite. .............................. 53 4.1.1.3. Bảo dưỡng và vệ sinh thiết bị. .............................................................. 53 4.2.2. Những hạn chế của thiết bị. ......................................................................... 54 4.2.3. Đề xuất. ........................................................................................................ 54 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 55 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tính chất cơ lý của một số sợi tổng hợp. .............................................................. 4 Bảng 2.1. Các chi tiết của thiết bị. ...................................................................................... 10 Bảng 2.2. Độ nở dài và nở khối của một số vật liệu. ......................................................... 11 Bảng 2.3. Thành phần hóa học và cơ tính của một số thép chế tạo máy.(%) .................... 11 Bảng 2.4. Cơ tính của một số thép chế tạo máy. ................................................................ 11 Bảng 2.5. Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín. ..................................................... 18 Bảng 2.6. Cơ tính vật liệu lò xo là thép carbon phụ thuộc đường kính dây d,(d 8mm). .. 24 Bảng 2.7. Cơ tính của các loại thép lò xo. .......................................................................... 25 Bảng 2.8. Chỉ số lò xo ........................................................................................................ 25 Bảng 2.9. Giá trị áp suất cho phép...................................................................................... 28 Bảng 2.10. Giá trị hệ số đai ốc và ren. ............................................................................... 29 Bảng 3.1. Các thông số của mẫu thử. ................................................................................. 49 Bảng 3.2. Kết quả thử nghiệm mẫu. ................................................................................... 49 Bảng 3.3. Giá trị ứng suất và modul đàn hồi trung bình của mẫu. ..................................... 51 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Composite dạng băng tẩm. ................................................................................... 3 Hình 1.2. Lò hấp sử dụng trong chế tạo mẫu composite. ..................................................... 6 Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị. .......................................................................... 10 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện trở trực tiếp. ........................................ 14 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của tấm điện trở. ...................................................................... 19 Hình 2.4. Tấm điện trở. ...................................................................................................... 20 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt. ........................................................................ 21 Hình 2.6. Cảm biến nhiệt. ................................................................................................... 21 Hình 2.7. Tấm compsote sợi thủy tinh. .............................................................................. 21 Hình 2.8. Các thông số hình học của lò xo....................................................................... ..23 Hình 2.9. Lò xo. .................................................................................................................. 27 Hình 2.10. Trục vít - đai ốc. ............................................................................................... 30 Hình 2.11. Cấu tạo thiết bị thiết kế. .................................................................................... 30 Hình 3.1. Các chi tiết của thiết bị chế tạo. .......................................................................... 33 Hình 3.2. Cốt để gắn với trục vít. ....................................................................................... 33 Hình 3.3. Tấm lót. ............................................................................................................... 33 Hình 3.4. Ống giữ cố định lò xo với cốt. ............................................................................ 34 Hình 3.5. Cốt hoàn chỉnh. ................................................................................................... 34 Hình 3.6. Tiện rãnh trục vít. ............................................................................................... 35 Hình 3.7. Tấm ép. ............................................................................................................... 35 Hình 3.8. Các chi tiết sau khi cắt. ....................................................................................... 36 Hình 3.9. Khoan lỗ tấm đáy................................................................................................ 37 Hình 3.10. Khoan lỗ tấm trên. ............................................................................................ 37 Hình 3.11. Hàn cố định 2 tấm hông lên tấm đáy. .............................................................. 39 Hình 3.12. Hàn tấm trên vào tấm hông. ............................................................................. 39 Hình 3.13. Hàn các nẹp gia cường vào vị trí vạch dấu. ..................................................... 40 Hình 3.14. Hàn đai ốc vào tấm trên. ................................................................................... 40 Hình 3.15. Lắp tay quay lên trục vít. .................................................................................. 41 Hình 3.16. Hàn chân đế và lắp cốt vào trục vít. ................................................................. 41 Hình 3.17. Thiết bị chế tạo hoàn chỉnh. ............................................................................. 42 vi Hình 3.18. Mẫu composite sau khi cắt. .............................................................................. 43 Hình 3.19. Thao tác chế tạo tấm mẫu thử........................................................................... 44 Hình 3.20. Nén lò xo tới giá trị lực xác định. ..................................................................... 44 Hình 3.21. Tấm mẫu thử chế tạo. ....................................................................................... 45 Hình 3.22. Quy cách mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO R 527 ................................................. 45 Hình 3.23. Quy cách mẫu thử kéo. ..................................................................................... 46 Hình 3.24. Quy cách mẫu thử uốn. ..................................................................................... 46 Hình 3.25. Mẫu thử kéo sau khi cắt.................................................................................... 47 Hình 3.26. Mẫu thử uốn sau khi cắt. .................................................................................. 47 Hình 3.27. Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn. ........................................................................... 48 Hình 3.28. Đánh dấu kí hiệu mẫu thử. ............................................................................... 48 Hình 3.29. Mẫu thử sau khi kéo. ........................................................................................ 52 Hình 3.30. Mẫu thử sau khi uốn. ........................................................................................ 55 vii LỜI NÓI ĐẦU Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ với hàng loạt thành tựu to lớn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải. Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đối với vật liệu càng lớn đòi hỏi ngày càng nhiều vật liệu có tính năng cơ lý kỹ thuật cao hơn ưu việt hơn. Trong đó không thể không nói đến vật liệu composite nó đã và đang trở thành một trong những vật liệu không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta, đặc biệt là composite công nghệ cao dạng băng tẩm nhựa eboxy/carbon và eboxy/glass. Tuy nhiên đối với nước ta hiện nay việc chế tạo composite dạng băng tẩm này với chất lượng cao vẫn còn gặp khá nhiều khó khăn và chưa phổ biến do giá thành vật liệu và thiết bị dùng chế tạo quá cao, dẫn đến chi phí chế tạo mẫu cao. Nên việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm là một nhiệm vụ tất yếu nhằm giảm giá thành sản phẩm, tạo được mẫu thử đảm bảo yêu cầu phục vụ cho công tác nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không được nhiều nên đề tài của tôi còn nhiều sai sót và hạn chế. Mặc dù đã cố gắng tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị nhưng sản phẩm vẫn chưa đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của tiêu chuẩn. Tôi mong sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Phạm Thanh Nhựt đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này. 1 CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU. 1.1.1. Giới thiệu về vật liệu composite. 1.1.1.1. Giới thiệu chung. Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau. Vật liệu composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (Ví dụ: Sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre trát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre trát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội. Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh. Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyester không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai. Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyester, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự,… Đặc biệt là sự phát triển của composite công nghệ cao bằng sợi carbon, sợi thủy tinh sử dụng các biện pháp công nghệ như đùn ép, đúc chuyển nhựa, đúc chân không, băng tẩm,… đã góp phần nâng cao tầm quan trọng của loại vật liệu này trong đời sống con người và trở thành một siêu vật liệu của tương lai. Tuy đã đạt được những thành tựu như vậy nhưng vấn đề nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt điện, chịu ăn mòn,… mở rộng lĩnh vực sử dụng vật liệu composite luôn được đặt ra. 2 1.1.1.2. Phân loại, cấu tạo và ứng dụng vật liệu composite. a. Phân loại vật liệu composite. Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần. - Phân loại theo hình dạng: Composite dạng sợi, composite dạng vảy, composite dạng hạt, composite dạng điền đầy, composite dạng phiến. - Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần: + Composite nền hữu cơ: Nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại. + Composite nền kim loại: Nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng; Cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC. + Composite nền gốm: Nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm. b. Cấu tạo của vật liệu composite. Composite bao gồm 3 thành phần chủ yếu đó là: - Polymer nền là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang chất độn khi có ngoại lực tác dụng. - Chất độn (cốt) đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì có tính chất cơ lý cao hơn nhựa. - Các phụ gia khác như: Chất pha loãng, chất tách khuôn, chất làm kín, chất tẩy bọt khí, chất thấm ướt sợi,… c. Ứng dụng của vật liệu composite. Cho đến nay thì vật liệu composite polymer đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô, dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boeing 757, 676, Airbus 310,… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ,…), ngành thể thao (các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennis,…), và các ngành dân dụng, quốc phòng dân sinh khác. 3 Ở Việt Nam vật liệu composite được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu composite được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm. Tại Hà Nội đã có 8 đề tài nghiên cứu về composite cấp thành phố được tuyển chọn, theo đó vật liệu composite được sử dụng nhiều trong đời sống xã hội. Tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã sử dụng vật liệu Composite vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hoá,…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu Composite vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện. 1.1.2 Composite dạng băng tẩm và phương pháp chế tạo. 1.1.2.1. Khái niệm về composite dạng băng tẩm. Composite dạng băng tẩm (Prepreg) là những bán sản phẩm đã qua những bước công nghệ ban đầu: Liên kết các loại vải và sợi (carbon, glass) đã tẩm sẵn resin (nhựa epoxy), sau đó các bán thành phẩm này lại trở thành nguyên liệu cho công nghệ đúc nén có gia nhiệt để tạo ra các sản phẩm composite. Composite dạng băng tẩm bao gồm: Sợi (vải), resin tẩm sẵn, chất độn và chất xúc tác. Nó không thể đóng rắn ở nhiệt độ phòng, chỉ khi lực nén tác động kèm theo gia nhiệt nó mới có thể đóng rắn để trở thành sản phẩm composite cứng vững trong công nghệ đúc nén. Composite dạng băng tẩm được cung ứng và sản xuất trên thị trường dưới các dạng: băng dài, vải đơn chiều, các tấm cuộn tròn SMC, BMC,… Hình 1.1. Composite dạng băng tẩm. 4 Resin dùng để tẩm ở đây là loại hòa tan trong dung môi (cũng có loại không cần dung môi) như: Phenolic, polyeste, epoxy, silicon, polyimide,… Các loại sợi thủy tinh, kevlar, sợi carbon chiếm tỷ lệ 50- 80% trọng lượng prepreg vì thế đạt được cường độ cơ học cao. 1.1.2.2. Đặc tính cơ học vật liệu composite dạng băng tẩm. Vật liệu composite dạng băng tẩm được chế tạo từ carbon/epoxy và glass/epoxy có cơ tính cực tốt, tính chất kết dính tốt, cải thiện tính kháng mỏi và kháng nứt giảm sự phân hủy trong môi trường nước, tăng tính kháng thẩm thấu. Bảng 1.1 Tính chất cơ lý của một số sợi tổng hợp. Vật liệu Tỉ trọng Độ bền kéo Mô đun đàn hồi (g/m3) (Gpa) (Gpa) Thủy tinh A 2.46 3.31 69 Thủy tinh C 2.46 3.31 69 Thủy tinh E 2.60 3.45 76 Thủy tinh S2 2.49 4.83 97 Carbon(sợi lớn) 1.74 3.62 228 Carbon (sợi Tb) 1.80 5.10 241 Carbon (sợi nhỏ) 1.80 6.21 297 Kevlar K-29 1.43 3.62 70 Kevlar K- 149 1.47 3.48 143 Sợi Basalt 2.65 4.15-4.80 100-110 Sợi thủy tinh là chất vô cơ kém mềm dẻo hơn sợi dệt có nguồn gốc thực vật hoặc động vật (sợi chỉ thuỷ tinh không thể thắt nút được dễ dàng), sợi thủy tinh bền vững (bền vững hơn bất kỳ sợi dệt nào), chúng không cháy, không mục nát, không thấm nước và bền với hầu hết các axit, chúng là một vật dẫn điện kém và trong một số 5 trường hợp là vật dẫn nhiệt và âm kém, chúng không hút ẩm. Sợi carbon chính là sợi grafit có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau và cách nhau khoảng 3.35A0. Các nguyên tử carbon liên kết với nhau trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách kiên kết trong mỗi lớp là 1,42A0. Sợi carbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt. Nhựa epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay. Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài đặc trưng bởi có nhiều hơn một nhóm 1,2-epoxy trong một phân tử polymer. Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt. Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt tốt hơn mạch thẳng do vậy epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt. Nói chung epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các loại nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay. Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong nghành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ ngoài thay cho polyester dễ bị phân hủy bởi nước và gelcoat. 1.1.2.3. Ứng dụng của vật liệu composite dạng băng tẩm. Với ưu điểm là nhẹ, độ bền cao, hệ số ma sát dãn nở nhiệt thấp, rất bền vững với nhiều điều kiện khí hậu và các phản ứng hóa học nên các bán thành phẩm prepreg được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân. Ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác và dùng để sửa chửa các chi tiết nhỏ trên máy bay. Trong quốc phòng để làm các tấm chống đạn trên các phương tiện vận chuyển và các tấm chống đạn được đưa vào trong các áo giáp chống đạn, vỏ tên lửa, ngoài ra còn dùng để sửa chữa thành vỏ xe thiết giáp, xe tăng,… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện. Trong ngành y tế sử dụng cho hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ, các thiết bị phục vụ y tế khác,… Trong ngành thể thao được dùng làm ván trượt, gậy gôn, vợt tennis,… 6 1.1.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn. Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer (epoxy) và được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp (khoảng -190C – -220C). Vật liệu được sử dụng có thể là các lớp nhựa/sợi hay dạng băng tẩm. Trong đó, dạng băng tẩm từ carbon/epoxy và glass/epoxy là phổ biến nhất được chế tạo theo phương pháp này. Người ta chế tạo composite dạng băng tẩm bằng hệ thống nồi hấp (máy Autoclave), nó bao gồm phần thân chính chứa sản phẩm cần chế tạo và các hệ thống kèm theo như hệ thống hút chân không, hệ thống nén áp suất và hệ thống gia nhiệt. Các thiết bị phụ trợ khác nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động an toàn. Phần thân chính thường có dạng một ống dày có nắp đậy đảm bảo chịu được áp suất cao lên đến trên 50 bar. Hình 1.2. Lò hấp sử dụng trong chế tạo mẫu composite. Điều kiện tiêu chuẩn để chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm: + Nhiệt độ: Từ 1000C- 1200C. + Áp suất: Khoảng 7 – 8 bar. + Thời gian: Khoảng 3 – 3,5 giờ. Quá trình chế tạo được thực hiện qua các bước sau: - Vật liệu gia cường đã thấm nhựa polymer được lấy ra khỏi thùng bảo quản lạnh, để trao đổi nhiệt tự nhiên và đạt tới nhiệt độ môi trường trước khi tiến hành gia công. Trong quá trình trao đổi nhiệt tự nhiên, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer được để 7 trong bao bì bảo quản để tránh ngưng tụ hơi nước trên bề mặt. Vật liệu gia cường đã thấm nhựa polymer được cắt thành hình dạng theo thiết kế. - Sau khi sắp xếp các lớp sợi/nhựa hay dạng prepreg lên khuôn, tiến hành đặt các lớp lót, lớp tách khuôn, lớp thông khí (thường là các tấm nỉ và nylon đục lỗ) và phủ một màng mỏng kín khí lên trên cùng. Xung quanh màng được dán cố định lên khuôn nhằm mục đích làm kín khí. Khuôn được lắp một van hút nối với máy hút chân không. - Đưa toàn bộ cụm này vào khay đặt mẫu bên trong thân chính của máy, nối van với máy hút chân không và tiến hành cho hút trong khoảng 10 – 15 phút. - Khóa van chân không và bật máy nén khí cho đến khi đạt áp suất cần thiết rồi khóa van, cho hệ thống gia nhiệt hoạt động liên tục để giữ nhiệt độ ở một mức cố định trong khoảng thời gian cần thiết. - Đối với composite dạng băng tẩm, áp suất nằm trong khoảng 7 – 8 bar, nhiệt độ khoảng 100 – 1200C và quá trình thực hiện trong khoảng 3 – 3,5 giờ. Hiện nay, đây là phương pháp được sử dụng chủ yếu để tạo ra mẫu thử composte có độ bền cao, cơ tính cực tốt nhằm phục vụ cho công việc nghiên cứu, thực hành ở các phòng thí nghiệm vật liệu, tuy nhiên giá thành để tạo ra một mẫu thử bằng nồi hấp này rất cao không phù hợp với khả năng, điều kiện chế tạo của Việt Nam. Do vậy việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị tạo mẫu composite dạng băng tẩm tối ưu, phù hợp với yêu cầu của nước ta là một nhiệm vụ cấp thiết cần phải thực hiện để góp phần phát triển công nghệ chế tạo vật liệu composite nói chung và vật liệu composite chất lượng cao nói riêng ở nước ta. Cũng như giảm giá thành, tăng cường khả năng thực hành của đội ngũ sinh viên, nghiên cứu sinh về vật liệu nói chung và vật liệu composite nói riêng. 1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy bằng phương pháp thủ công. 1.2.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài. - Vật liệu composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy. - Thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm theo phương pháp thủ công. 1.2.3. Phương pháp nghiên cứu. Trên cơ sở tìm hiểu điều kiện và phương pháp chế tạo vật liệu composite dạng 8 băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn, tiến hành phân tích, đánh giá để làm cơ sở thiết kế, chế tạo thiết bị tạo mẫu composite theo phương pháp thủ công. Tiến hành chế tạo mẫu thử nhằm xác định cơ tính và các hằng số vật liệu để so sánh với mẫu tương tự được chế tạo bằng nồi hấp tiêu chuẩn. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm những bước cụ thể sau: - Xây dựng các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật làm căn cứ thiết kế hệ thống thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm. - Tính chọn các thiết bị phụ của hệ thống như thiết bị gia nhiệt, thiết bị nén tạo áp suất, thiết bị cảm biến nhiệt. - Chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm với các thông số đã tính chọn. - Chế tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy với thiết bị đã tạo ra và kiểm tra, đánh giá mẫu tạo được so với mẫu tiêu chuẩn. Do thời gian, kinh phí còn hạn hẹp nên việc chọn thiết kế và chế tạo thiết bị tạo mẫu thử composite chỉ theo phương pháp thủ công với kích thước mẫu thử tương đối nhỏ nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, dựa trên những điều kiện của phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn. Đồng thời, do phương pháp chế tạo và thử nghiệm mẫu thử băng tẩm từ glass/epoxy hoàn toàn tương tự như carbon/epoxy nên trong đề tài này chỉ chế tạo mẫu thử bằng carbon/eboxy. 9 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ 2.1. YÊU CẦU KINH TẾ - KỸ THUẬT. 2.1.1. Yêu cầu kinh tế. - Đảm bảo giá thành chế tạo thiết bị phải rẻ hơn so với sử dụng nồi hấp nhưng vẫn đảm bảo tương đối về điều kiện yêu cầu. - Đảm bảo công chế tạo ít nhất và tận dụng được các thiết bị dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo để gia công. - Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn và dễ dàng khi lắp ráp. Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý hiếm. 2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật. - Thiết bị chế tạo ra phải đảm bảo đúng điều kiện về nhiệt độ áp suất và thời gian làm việc như thiết kế. - Phải đảm bảo hợp lý về công nghệ, hiệu quả về kỹ thuật, chắc chắn khi làm việc, tiện lợi khi sử dụng, đơn giản khi chế tạo và hình dáng bề ngoài đẹp. - Thiết kế nhỏ gọn, thân thiện với môi trường, dễ dàng bảo dưỡng, sữa chữa. 2.2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ. 2.2.1. Xây dựng mô hình thiết bị. Yêu cầu của thiết bị tạo mẫu thử composite cần chế tạo: + Phải đảm bảo được lực nén khoảng 7 bar. + Phải đảm bảo duy trì được nhiệt độ từ 100- 1200C trong vòng 3 giờ. + Phải đảm bảo được kích thước của mẫu thử phù hợp. Dựa vào mẫu thử được chế tạo theo tiêu chuẩn ta chọn kích thước tấm mẫu thử cần chế tạo là 180x100x2mm. Với kích thước như vậy ta có thể tạo ra được 2 mẫu thử uốn và 2 mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn. Từ những yêu cầu trên ta phác thảo mô hình thiết bị như hình 2.1 để làm cơ sở cho việc tính toán và thiết kế. 10 4 P 5 3 6 2 - 1 + 00 1 01 1 180 210 Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị. Các chi tiết và kích thước của thiết bị được liệt kê trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Các chi tiết của thiết bị. STT Tên chi tiết Kích thước(mm) Số lượng 1 Tấm vỏ đáy 210x110x10 1 2 Tấm khuôn dưới 180x100x12 1 3 Tấm khuôn trên 180x100x12 1 4 Tấm vỏ trên 210x110x10 1 5 Tấm vỏ hông 180x100x12 2 6 Tấm mẫu thử 180x100x2 1 2.2.2. Chọn vật liệu chế tạo. Dựa vào điều kiện nêu trên ta có thể lựa chọn vật liệu và kích thước của các chi tiết trong thiết bị: Thiết bị chế tạo dùng để chịu nén và áp suất cao, cũng như nhiệt độ cao vậy nên phải chọn vật liệu sao cho đảm bảo đủ bền cho thiết bị và phải có độ nở 11 dài, nở khối nhỏ. Dựa vào bảng 2.2 ta chọn thép chế tạo máy vì nó có độ nở dài và nở khối nhỏ. Bảng 2.2. Độ nở dài và nở khối của một số vật liệu. Vật liệu Độ nở dài mm Độ nở khối m3 Nhôm 3,66 0,0054 Đồng 2,55 0,0038 Sắt, thép 1,65 0,0025 Thép chế tạo máy 1,5 0,0023 Kẽm 5,1 0,0077 Thép chế tạo máy có yêu cầu chất lượng hợp kim cao, P, S nhỏ hơn 0,04%. Một số mác thép thường dùng cho chế tạo máy được thể hiện qua bảng 2.3 và bảng 2.4 bao gồm thành phần hóa học và cơ tính của chúng. Bảng 2.3. Thành phần hóa học và cơ tính của một số thép chế tạo máy.(%) Mác thép Carbon CT38s 0,14 -0,22 CT38n 0,14 -0,22 CT38 0,14 -0,22 Silic Mangan Phốt pho Lưu huỳnh 0,30 – 0,60 0,04 0,05 0,05 – 0,17 0,40 – 0,65 0,04 0,05 0,12 – 0,3 0,40 – 0,65 0,04 0,05 0,07 Bảng 2.4. Cơ tính của một số thép chế tạo máy. Mác st/MPa chia theo độ dày, mm thép , theo độ dày, mm < 20 20- 40 40- 100 > 100 < 20 20- 40 > 40 CT38 363-461 235 226 216 196 27 26 24 CT38n 373-481 245 235 226 206 26 25 23 CT51 490-628 284 275 265 255 20 19 17 C45 598-753 354 324 298 276 20 18 16 12 Dựa vào bảng 2.3, 2.4 và yêu cầu của thiết bị ta chọn thép chế tạo máy C45 là loại thép có hàm lượng carbon trung bình đảm bảo sự cân bằng giữa độ bền và độ mềm phù hợp cho thiết bị. 2.2.3. Tính chọn thiết bị gia nhiệt tạo nhiệt độ. 2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện nhiêt. Kỹ thuật điện nhiệt là kỹ thuật biến đổi điện năng thành nhiệt dựa trên cơ sở các định luật vật lý. Kỹ thuật điện nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt. Ví dụ như trong các nhà máy xí nghiệp thường gặp các lò điện trở, thiết bị sấy, thiết bị nung nóng. Trong sinh hoạt gặp những thiết bị nung nóng nước, nồi cơm điện, bình nóng lạnh, thiết bị sưởi ấm, lò vi sóng,…Có thể phân loại thiết bị điện nhiệt theo các phương pháp sau: + Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện trở: Là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt. Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn điện, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. + Thiết bị điện nhiệt làm việc theo nguyên lý cảm ứng: Khi một vật đặt trong từ trường biến thiên trong vật sẽ cảm ứng dòng điện và vật được nung nóng. + Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp hồ quang: Là lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại. Phương pháp này dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao. + Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện môi: Vật nung là loại không dẫn điện hoặc bán dẫn được đặt giữa không gian hai má tụ điện. Tụ điện được nối với nguồn áp có tần số siêu cao hàng chục, hàng trăm hoặc hàng nghìn MHz, dưới tác dụng của điện trường biến thiên với tần số siêu cao trong vật sẽ có dòng điện dịch, kết quả vật được nung nóng. + Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện tử: Năng lượng điện biến thành nhiệt do va chạm của dòng điện tử được gia tốc cao trong trường điện với những vật gia công (vật nung nóng). + Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp laser: Dựa theo nguyên lý bức xạ ánh sáng, do các electron từ mức năng lượng thấp nhảy sang mức năng lượng cao, rồi từ cao nhảy về thấp thì phát ra bức xạ tạo ra nhiệt. + Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp plasma: Năng lượng điện biến vào nhiệt trong dòng vật chất bị ion hóa dưới tác dụng của điện trường giữa điện 13 cực trong áp suất lớn và tốc độ cao của dòng plasma. Do bị ion hóa và nén trong thể tích không lớn nên mật độ nhiệt lớn, cho phép tạo ra nhiệt độ tới hàng vạn độ. Sau khi phân tích các phương pháp trên ta lựa chọn phương pháp nung nóng bằng điện trở, vì đây là phương pháp biến điện năng thành nhiệt năng đơn giản, đáp ứng được cho yêu cầu của thiết bị. Nhờ tính đơn giản nên thiết bị sử dụng phương pháp này này phổ biến, rẻ tiền và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và trong sinh hoạt. Phương pháp này dựa trên nguyên lý: Khi cho dòng điện có trị số I qua dây đốt (dây nung nóng) có điện trở R, sau thời gian thì dây đốt tỏa ra nhiệt lượng Q tỷ lệ với R theo biểu thức: (J) Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò: + Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp. + Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp. Trong trường hợp chung ta viết được: Trong đó: là hàm dòng điện và điện trở của biến thời gian . 2.2.3.2. Tính chọn điện trở theo phương pháp trực tiếp. Theo phương pháp này ta sẽ biến tấm khuôn trên và tấm khuôn dưới thành điện trở bằng cách đưa trực tiếp dòng điện vào 2 tấm khuôn thông qua một máy biến áp có cấp điều chỉnh điện áp như hình 2.2. 14 3 2 1 3 4 1 2 U 1. Máy biến áp có cấp điều chỉnh điện áp 2. Tấm khuôn dưới 3.Tấm khuôn trên Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện trở trực tiếp. Các thông số ban đầu của tấm thép: + Chiều dài của tấm thép L = 180mm + Chiều rộng của tấm thép B =100mm + Bề dày của tấm thép H =12mm + Nhiệt độ ban đầu của tấm thép T0 = 200C + Nhiệt độ nung nóng của tấm thép T1 = 1200C + Điện trở suất của tấm thép = 0.135.10-4 Tính điện trở của tấm thép: Trong đó: - là chiều dài tấm. - S là tiết diện của tấm ép. - là điện trở suất. Ở kim loại hợp kim điện trở suất tăng theo sự tăng của nhiệt độ t và được tính theo công thức: Với: độ tăng nhiệt từ 200C, điện trở suất ở nhiệt độ t = 200C. , hệ số nhiệt điện trở. 15 , Ta được: - là hệ số hiệu ứng bề mặt. phụ thuộc vào tính chất vật lý, kích thước vật làm dây đốt và tần số dòng điện, được xác định theo công thức sau: Tính độ thẩm thấu sâu của dòng điện vào bề mặt nung tôi là: Với: + + điện trở suất của dây dốt ở nhiệt độ làm việc hệ số từ thẩm tương đối, với thép hợp kim ta chọn + f là tần số dòng điện, f = 50HZ Ta được: Hệ số a được xác định theo công thức: Từ đó ta có: Điện trở vật nung là: Dòng điện làm việc đi qua tấm thép: 16 Do điện trở của tấm thép quá nhỏ làm cho dòng đi qua nó quá lớn mới đủ năng lượng nung nóng chi tiết. Trên thực tế, để lựa chọn được máy biến áp với dòng như vậy là rất khó khăn và dường như không có. Ngoài ra điện trở tiếp xúc lớn so với điện trở của tấm thép dẫn tới nhiệt phân bố không đều. Do vậy trong thiết kế này ta sử dụng phương pháp nung nóng bằng điện trở gián tiếp để nung nóng tấm khuôn ép của thiết bị. 2.2.3.3. Tính chọn điện trở theo phương pháp nung nóng gián tiếp. Trong nung nóng gián tiếp dây đốt là bộ phận biến năng lượng điện thành nhiệt, là nơi làm việc có nhiệt độ cao nhất. Dây đốt có nhiều loại, khác nhau về hình dạng chất liệu, điều kiện làm việc, mục đích, công suất. a. Phân loại một số dây đốt thông dụng. Dây đốt được phân thành hai kiểu thông dụng sau: - Dây đốt hở: Là loại không khí tiếp xúc trực tiếp với dây đốt hoặc môi trường nung nóng tiếp xúc với dây đốt. Loại này thường được sử dụng trong các lò điện trở, thiết bị sấy nung bằng không khí, bếp điện, thiết bị sưởi ấm,… Ưu điểm của dây dốt hở là truyền tỏa nhiệt dễ, dễ bố trí trọng thiết bị, dễ sữa chữa, rẽ tiền,… Nhược điểm của dây đốt hở là dễ bị ăn mòn, oxy hóa khi tiếp xúc với môi trường nung nóng, nhất là ở nhiệt độ cao, thời gian sử dụng không cao và kém an toàn. - Dây đốt kín: Là loại có phần tử nung nóng đặt trong vỏ bọc bằng kim loại, để bảo vệ khỏi tác động của môi trường được nung nóng. Phần tử nung nóng được định vị trong chất cách điện dẫn nhiệt như cát thạch anh, bột MgO. Dây đốt kín có lớp vỏ kim loại bảo vệ nên có ưu điểm là thời gian sử dụng cao, an toàn, đảm bảo chất lượng tốt hơn so với dây đốt hở. b. Vật liệu chế tạo dây đốt. Dây đốt là bộ phận chịu nhiệt độ cao nhất và bị ăn mòn trong quá trình biến đổi điện thành nhiệt. Sự bền của dây đốt được xác định bằng thời gian sử dụng của dây đốt. Khi chọn dây đốt đúng, thời gian làm việc dây đốt không quá 5 - 10 ngìn giờ. Trong khi thiết bị được chế tạo cho 5 – 10 năm như vậy đối với vật liệu chế tạo dây đốt cần có yêu cầu cao như sau: - Bền vững chịu nhiệt, ở nhiệt độ cao vẫn bền vững trong điều kiện có oxy hóa. 17 - Bền cơ cao trong điều kiện chịu nhiệt độ cao, dây đốt phải có độ bền về cơ để có thể chịu được trọng lượng bản thân trong điều kiện nhiệt độ làm việc. - Điện trở suất lớn, làm tăng điện trở khi cùng kích thước nhờ đó giảm khối lượng dây đốt, làm cho dễ bố trí trang thiết bị và kinh tế hơn. - Hệ số nhiệt điện trở nhỏ. - Các thông số như điện trở suất, hệ số nhiệt điện trở, các thông số điện, vật lý ổn định, ít thay đổi theo nhiệt độ. - Các kích thước vật lý, ổn định, có một số vật liệu dưới nhiệt độ cao kích thước chảy ra (30- 40)% làm cho công suất thay đổi, lắp đặt khó khăn. - Dễ gia công, đồng đều, giá thành rẽ. Để thỏa mãn các yêu cầu trên khó có hợp kim vật liệu nào đáp ứng đầy đủ, nên người ta chọn ra những hợp kim, vật liệu tương đối đáp ứng được phần lớn các yêu cầu ở mức độ tốt. Đó là hợp kim Niken – Crôm (hay còn gọi là NiCrôm), hợp kim Crôm – nhôm, hợp kim Crôm – nhôm- sắt, hợp kim Ni40Cu60. Các loại dây đốt kim loại tinh khiết ít được dùng như Vonfram, W0, moliphonden M0, tantan Ta tuy có nhiệt độ làm việc rất cao, từ hàng nghìn độ trở lên song trong điều kiện thông thường tiếp xúc với môi trường thì dễ bị oxy hóa, chóng hỏng. Bởi vậy phải làm việc trong môi trường có khí bảo vệ hoặc chân không. Sau khi phân tích các đặc điểm về dây đốt trên và dựa vào yêu cầu của thiết bị chế tạo ta chọn dây đốt kiểu kín bằng hợp kim Crôm - Niken bọc ngoài bằng kim loại: Vì nó có màng bảo vệ oxytcrôm (Cr2O3) bảo vệ vững chắc, có cơ lý tốt ở nhiệt độ trung bình và cao. Loại này dẻo, dễ gia công, dễ hàn, có hệ số nhiệt điện trở nhỏ, già hóa ít,… c. Tính chọn dây đốt kín. Để tính chọn dây đốt kín sử dụng trong các thiết bị nung nóng người ta thường dùng phương pháp mật độ công suất truyền tải. Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín là công suất của tải nhận được từ đơn vị diện tích bề mặt của dây đốt. Tính công suất hữu ích của thiết bị Ph: Là công suất làm biến đổi lượng nhiệt của vật nung để rồi nâng cao nhiệt độ cho vật nung. 18 Trong đó: + m là khối lượng tấm nung: m =V.pt =0,18x0,10x0,12x7.85 = 1,69 kg + C là tỷ nhiệt của vật nung nóng: C =0.24 KJ/kgC + là thời gian nung. + nhiệt độ nung. + nhiệt độ môi trường. Công suất thiết bị Ptb : Giá trị mật độ công suất phụ thuộc vào điều kiện làm việc của dây đốt, vào vật liệu vỏ bọc của dây đốt, vào môi trường nung nóng. Người ta cho mật độ truyền tải của dây đốt kín trong bảng 2.5, khi tính chọn dây đốt theo điều kiện đã biết chọn mật độ công suất truyền tải, dựa và đó để tính chọn dây đốt. Bảng 2.5. Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín. Môi trường nung Đặc điểm và điều Vật liệu bọc ngoài Mật độ công suất nóng kiện nung nóng của dây đốt kín tải cho phép (W/cm2) Nước Không khí Nung nóng và tạo Đồng, đồng thau, 9 – 11 hơi thép không rỉ Nung nóng trong Thép CT 10 - 1,2 - 1,8 môi trường tĩnh CT20, đồng thau, 2,3 – 5,0 thép không rỉ Không khí Nung nóng trong Thép CT10 - CT20, 4,5 – 5,0 môi trường không Thép không rỉ 5,0 – 5,5 Thép không rỉ 1,5 – 2,0 Thép CT10 - CT20, 5,0 – 7,0 khí động Dung dịch Nung nóng trong thùng Các loại bếp điện lò điện Dây đốt bọc trong vỏ kim loại 19 Theo bảng 2.5, dựa vào điều kiện làm việc là nung nóng trong không khí với thép không gỉ trong môi trường tĩnh ta chọn được mật độ công suất cho phép là 3 W/cm2 Khi cần tăng thời gian sử dụng và đảm bảo an toàn khi dùng liên tục, tải nặng nề cần giảm mật độ công suất tải cho phép Wcp cho trong bảng đi (30- 40)% nên mật độ sẽ bằng 2,1 W/cm2. công suất cho phép Bề mặt truyền nhiệt của dây đốt là: Ta có sơ đồ nguyên lý cấu tạo của tấm điện trở như hình 2.3 2 1 - + 1. Dây điện trở 2. Vỏ bọc Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của tấm điện trở. Dựa vào các thông số tính toán trên và yêu cầu của thiết bị ta chọn điện trở tấm như hình 2.4 của công ty TNHH SX- TM và công nghệ Đại Phát chế tạo với các thông số phù hợp yêu cầu của thiết bị. Tên sản phẩm: DAPHACO Kích thước: 180x100x5mm 20 Vật liệu làm dây đốt: Hợp kim Niken – Crôm Điện áp vào : 220V Công suất: 400W Vỏ bọc: Inox 0,2mm Hình 2.4. Tấm điện trở. Tấm điện trở đã chọn đảm bảo được công suất phù hợp với thiết bị, kích thước bằng với tấm ép làm cho nhiệt độ phân bố đều trên tấm ép.Vỏ bọc bằng inox có khả năng truyền nhiệt tốt. 2.2.3.4. Lựa chọn cảm biến nhiệt và vật liệu cách nhiệt. a. Lựa chọn cảm biến nhiệt. Để đảm bảo thiết bị hoạt động đúng nhiệt độ theo yêu cầu ta cần gắn cảm biến nhiệt vào tấm ép để kiểm soát được nhiệt độ làm việc của điện trở. Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Điều đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác. Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến. Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành. 21 Ta có sơ đồ nguyên lý cấu tạo của cảm biến nhiệt như hình 2.5 3 2 1 4 + - 1. Đầu cảm biến 2. Bộ cảm biến 3. Núm chỉnh nhiệt độ 4. Tiếp điểm Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt. Sau khi phân tích ta lựa chọn cảm biến nhiệt Rainbow do Trung Quốc sản suất với dải nhiệt độ từ 30 – 1200C với 3 tiếp điểm (hình 2.6). Hình 2.6. Cảm biến nhiệt. Ta chọn loại này bởi vì nó có đầu cảm biến nhỏ, dài có thể đưa vào xâu trong tấm ép đảm bảo đo được nhiệt độ chính xác, có dải công suất thích hợp với yêu cầu của thiết bị và giá thành tương đối hợp lý. b. Lựa chọn vật liệu cách nhiệt. Vật liệu cách nhiệt là những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt không lớn hơn 0.157 W/m.oC. Ngày nay có nhiều loại vật liệu chuyên cách nhiệt, tuy nhiên do giới hạn về thời gian cũng như kinh phí đề tài nên ta sử dụng những tấm composite sợi thủy tinh 22 sẵn có ở phòng thực hành để làm tấm cách nhiệt cho thiết bị. Tại vì sợi thủy tinh có nhiều đặc tính tốt như không đàn hồi hay dãn rộng ra, bền vững không cháy, không mục nát và dẫn điện kém phù hợp với yêu cầu thiết bị. Trên thực tế thì người ta cũng sử dụng sợi thủy tinh để cách nhiệt cho tường vách, ống khói, lò hơi, tủ cách nhiệt,…; Cách âm cho nhà ở, văn phòng, cabin tàu thuyền, nhà hát,…; Cách điện cho dây điện, cáp điện, các thiết bị tải dòng khác,…ở các dạng sợi, chỉ, băng, vải, dây tết hoặc vải có hoặc không được tẩm nhựa tự nhiên, chất dẻo hay nhựa đường. Hình 2.7 Tấm composte sợi thủy tinh. 2.2.4. Tính chọn thiết bị nén tạo áp lực. Do yêu cầu và đặc điểm của thiết bị là nhỏ gọn, mang tính thủ công cũng như kinh phí hạn chế nên ta chọn thiết bị nén bằng trục vít, thông qua một lò xo để điều chỉnh lực phù hợp theo yêu cầu. Đây là phương pháp nén thủ công truyền thống, lợi về lực, tạo ra được áp lực cao, giá thành rẻ, tuổi thọ cao, vận hành và bảo trì dễ dàng. 2.2.4.1. Các thông số hình học của lo xo xoắn ốc chịu nén. Lò xo là chi tiết máy có độ đàn hồi cao, khối lượng và kích thước nhỏ gọn. Trong các thiết bị và dụng cụ, lò xo được sử dụng để: + Tạo lực ép (trong bộ truyền bánh ma sát, khớp nối, máy ép, phanh,…). + Tích lũy cơ năng và làm việc như một động cơ (dây cót đồng hồ, đồ chơi trẻ em,…). + Giảm chấn và dao động (lo xo trong các máy vận chuyển, ôtô, tàu hỏa,...). + Thực hiện các chuyển vị về vị trí cũ (lò xo ở cam, van, ly hợp,...). 23 + Đo lực (trong lực kế và khí cụ đo, cân,…). Lò xo soắn ốc có đường kính dây và bước lò xo không đổi. Lò xo soắn ốc thường được cuộn từ dây thép tiết diện tròn hoặc chữ nhật. Dây thép có tiết diện tròn giá rẻ hơn và chịu xoắn tốt hơn dây thép tiết diện chữ nhật. Các thông số cơ bản của lò xo bao gồm: + Đường kính dây d hoặc kích thước tiết diện dây + Đường kính trung bình D + Đường kính ngoài D + d + Đường kính trong D – d + Chỉ số của lò xo c = D/d + Số vòng làm việc của lò xo n + Bước của lò xo p là khoảng cách đo theo phương song song trục theo tâm của hai dây kế tiếp nhau. + Góc nâng vòng xoắn ốc , trong thực tế góc nhỏ hơn 8 120. + Chiều cao (dài) của lò xo H. + F là tải trọng giới hạn gây nên ứng suất trong lò xo gần bằng giới hạn đàn hồi. F H d p D Hình 2.8. Các thông số hình học của lò xo. 24 Đối với lò xo chịu nén các vòng được cuộn hở (giữa các vòng có khe hở) trừ các vòng ở hai đầu mút được cuộn sít với vòng bên cạnh để đảm bảo tải trọng tác dụng chính tâm lò xo. Khe hở giữa các vòng g = p – d lớn hơn 10 - 20% so với biến dạng lớn nhất của mỗi vòng lò xo , nếu không các vòng lò xo có thể bị sít nhau khi làm việc làm thay đổi độ cứng của lò xo. 2.2.4.2. Lựa chọn và tính toán lò xo nén. Do yêu cầu khối lượng và kích thước của lò xo nhỏ gọn nên vật liệu chế tạo lò xo phải có độ bền cao. Đồng thời vật liệu chế tạo lò xo phải có hệ số mất mát thấp, tính đàn hồi cao và không thay đổi trong một thời gian dài. Trong thực tế, người ta sử dụng thép có thành phần carbon cao, thép không gỉ cán nguội, hóa cứng, hợp kim màu và một vài vật liệu không kim loại như lớp sợi thủy tinh để chế tạo. Lò xo có đường kính dây nhỏ hơn 8 10mm được chế tạo bằng phương pháp quấn nguội, trước khi quấn được nhiệt luyện và sau khi quấn được ram. Lò xo có đường kính lớn hơn được quấn nóng sau đó tôi. Dây lò xo có đường kính nhỏ hơn 8mm có ba cấp độ bền: Độ bền thường III, độ bền nâng cao II và độ bền cao I. Bảng 2.6. Cơ tính vật liệu lò xo là thép carbon phụ thuộc đường kính dây d,(d 8mm). d (mm) Độ bền kéo (MPa) III II I 0,3 1750 - 2250 2250 - 2700 2700 - 3100 1 1650 - 2100 2050 - 2500 2500 - 2850 1,5 1450 - 1850 1850 - 2200 2200 - 2500 2 1400 - 1800 1800 - 2100 2000 - 2300 3 1300 - 1650 1650 - 1950 1700 - 1950 4 1150 - 1500 1500 - 1750 1600 - 1850 5 1100 - 1400 1400 - 1650 1500 - 1750 8 1000 - 1250 1250 - 1450 … Các giá trị trung bình cơ tính của một số vật liệu dùng để chế tạo lò xo được cho ở bảng 2.7. 25 Bảng 2.7. Cơ tính của các loại thép lò xo. Nhóm thép Thép carbon Kéo, nén (MPa) Xoắn (MPa) 1500-1600 1000-1200 850-1100 600-800 450-800 300-400 1450-1700 950-1350 1100-1400 600-900 400-850 350-400 1600-1700 1400-1500 1350 950-1000 950-1000 … 1400-1500 950-1050 1200-1250 900 400-450 … trung bình Thép nhiều carbon Thép silicmangan Thép silic vanadi Dựa vào bảng 2.7 ta chọn mua lò xo chịu nén bằng vật liệu thép carbon trung bình với ứng suất xoắn cho phép là 600- 800 MPa cho thiết bị có lực nén là 7 bar. Xác định chỉ số của lò xo c = D/d, dựa trên đường kính dây d theo bảng 2.8. Bảng 2.8. Chỉ số lò xo d (mm) c 2,5 3.5 6-12 5-12 4-10 4-9 Dựa vào yêu cầu của thiết bị nên ta chọn đường kính lò xo nằm trong khoảng 6 – 12mm và chọn c = 9 từ đó ta có đường kính của dây lò xo là: Trong đó: + k hệ số an toàn.Chọn k = 1,5 + được gọi là hệ số Wahl và được xác định theo công thức: 26 + ứng suất xoắn cho phép, phụ thuộc vào vật liệu và tính chất của tải trọng: - Nếu tải trọng thay đổi, hỏng hóc của lò xo không gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến máy - Nếu trọng tĩnh với là giới hạn bền được xác định theo bảng 2.7 ta có F lực tác dụng lên lo xo, áp suất tác dụng lên mẫu là 7 bar với kích thước mẫu theo nồi hấp tiêu chuẩn là 250x200x2 mm và mẫu chế tạo là 180x100x2 mm. Ta có: Áp suất tác dụng lên mẫu chế tạo: Lực tác dụng lên tấm mẫu thử: Trong đó: + S diện tích bề mặt tấm mẫu chế tạo. + áp suất của mẫu chế tạo. + áp suất của mẫu chế tạo bằng nồi hấp. + thể tích của mẫu chế tạo. + thể tích của mẫu chế tạo bằng nồi hấp. Đường kính trung bình của lò xo là: Dựa vào loại lò xo nén trên thị trường ta chọn lò xo như hình 2.9 với chiều dài tự nhiên H = 70mm, đường kính ngoài bằng 64mm, đường kính trong bằng 50mm, bước của lò xo bằng 13,6mm và số vòng làm việc là 5 vòng. 27 Hình 2.9. Lò xo. Dựa vào các thông số của lò xo đã chọn ta tính chuyển vị đàn hồi dọc trục của lò xo theo phương pháp Castigliano bằng công thức: Trong đó: + G là môdun đàn hồi trượt, với lò xo bằng thép G =8.104MPa. + là độ mềm của một vòng lò xo, tức là chuyển vị của một vòng lò xo dưới tác dụng của lực bằng một đơn vị. Như vậy chuyển vị của lò xo tỉ lệ với số vòng lò xo n và lực tác dụng lên lò xo F. Tổng khe hở giữa các vòng của lò xo: . Sau khi tính chọn, lò xo được kiểm nghiệm lại tại Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy và được kết luận đảm bảo cung cấp đủ lực nén cho thiết bị (kết quả được đính kèm ở phần phụ lục). 2.2.4.3. Tính chọn trục vít đai ốc để tạo lực nén. Do yêu cầu của thiết bị cần thiết kế là chịu lực dọc trục với lực ép lớn để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt và độ bền cao nên ta chọn bộ truyền vít me đai ốc. 28 Bộ truyền vít me - đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp của cặp ren (giữa ren trong trên đai ốc với ren ngoài trên vít me) để biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến. Các ưu điểm chính: Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn và dễ chế tạo. Khả năng tải lớn, độ tin cậy cao, làm việc êm và không ồn. Lợi nhiều vẻ lực, có thể chuyển động chậm với độ chính xác cao. Bộ truyền có tỷ số truyền cao và có thể tự hãm, do đó bộ truyền sử dụng để trụyền tải trọng: Trong con đội tay, máy nâng với hệ thống truyền động cơ điện, máy ép vít, trong các cơ cấu điều khiển, bàn dao, bàn máy, trong các cơ cấu truyền động cho người máy, máy điều khiển số,... hoặc sử dụng để truyền chuyển động trong các cơ cấu hiệu chỉnh của dụng cụ đo. Vật liệu chế tạo trục vít đai ốc: Để giảm mất mát công suất do ma sát trong cặp ren vít thì vít được chế tạo từ thép C45, hoặc A45 và A50 (thường hóa hoặc tôi cải thiện) và thép carbon 10, thép hợp kim 65Mn, 40Cr, 40CrMn (tôi thể tích hoặc bề mặt), thép 38Cr2MoAI, 18CrMnTi và 40CrV (thấm nitơ). Đai ốc chế tạo từ đồng thau La Zn23Al6FeMn2, La Zn38Mn2, đồng thanh Br AI9Fe3, Br AI10Fe3Mn2, Br AI10Fe3Mn2 hoặc từ gang chống mòn. Áp suất cho phép của một số vật liệu được cho trong bảng 2.9. Bảng 2.9. Giá trị áp suất cho phép. Vật liệu cặp ren vít Ứng suất (MPa) Thép tôi - đồng thanh 12-13 Thép không tôi - đồng thanh 8-10 Thép tôi - gang chống ma sát 7-9 Thép không tôi - gang chống ma sát 6-7 Thép không tôi - gang GX18 GX21 5 Dựa vào bảng 2.9 ta chọn thép không tôi - gang chống ma sát với ứng suất cho phép 7 MPa. Các thông số hình học chủ yếu của trục vít bao gồm: + Đường kính ngoài d 29 + Đường kính trong d1 + Đường kính trung bình d2 + Chiều cao biên dạng h + Bước ren ps Ta có công thức xác định đường kính trung bình của trục vít như sau: Trong đó: + giá trị hệ số đai ốc và ren và được cho trong bảng 2.10 Bảng 2.10. Giá trị hệ số đai ốc và ren. Ren Đai Đai ốc nguyên 1,2 – 2,5 Ren hình thang 0,5 Đai ốc rời hoặc hai 2,5 – 3,5 Ren hình răng cưa 0,75 Ren tam giác 0,541 nữa Do trục vít chủ yếu chịu lực dọc trục do nén nên ta chọn kiểu ren hình thang, và đai ốc vít tải liền khối nên ta chọn hệ số + và lần lượt là 2 và 0,5. là áp suất cho phép được cho trong bảng 2.9. Ta có đường kính trung bình của trục vít = 18,56 mm từ đó ta tính được các kích thước chính của trục vít: Chiều cao biên dạng: Đường kính ngoài: = 0,1.18,56 =1,856 mm d = d2 + h = 18,56 +1,856 =20,4mm Đường kính trong: Bước ren: = 18,56 – 1,856 =16,7 mm ps = 2h = 2.1,856 = 3,71 mm. Dựa vào các thông số đã tính ta lựa chọn trục vít và đai ốc bán sẵn trên thị trường như hình 2.10 với các thông số: Chiều dài: 200 mm 30 Đường kính ngoài : Đường kính trong: Bước ren: d = 24 mm mm ps = 4 mm Hình 2.10. Trục vít - đai ốc. Từ các số liệu đã tính chọn trên ta tiến hành xây dựng bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh với đầy đủ các thông số kích thước và yêu cầu kỹ thuật để tiến hành gia công chế tạo thiết bị. Hình 2.11. Cấu tạo thiết bị thiết kế. 31 CHƯƠNG III. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ VÀ MẪU THỬ 3.1. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ. 3.1.1. Công tác chuẩn bị. 3.1.1.1. Chuẩn bị nguyên vật liệu. Muốn chế tạo một thiết bị đạt yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế, ta phải xác định được kích thước của phôi và chọn loại phôi thích hợp. Kích thước của phôi được tính toán theo lượng dư gia công, còn chọn loại phôi phù hợp thì phải dựa vào yêu cầu thiết kế. Việc lựa chọn phôi hợp lý sẽ đảm bảo tốt những tính năng kỹ thuật, năng suất và giá thành của sản phẩm. Vật liệu cần phải chuẩn bị để chế tạo thiết bị là thép tấm với các chiều dày đã chọn ở chương II, phôi tiện cốt. Các thiết bị được tính chọn sẵn ở chương II để lắp ráp như lò xo, tấm điện trở, trục vít - đai ốc và cảm biến nhiệt, tấm cách nhiệt. Ngoài ra còn chuẩn bị các máy móc và thiết bị khác để tiến hành gia công như máy cắt, máy hàn, máy mài, dây điện, băng keo cách điện, bút thử điện, phích cắm,…. 3.1.1.2. Chuẩn bị bản vẽ. Bản vẽ bố trí chung của thiết bị và sơ đồ nối dây của thiết bị. Bản vẽ lắp chung toàn thiết bị hay bộ phận với đầy đủ yêu cầu kỹ thuật của thiết bị chế tạo. Bản vẽ thống kê chi tiết lắp ráp của bộ phận hay thiết bị với đầy đủ số lượng, quy cách, chủng loại của chúng (hình 3.1). 32 248 13 11 10 12 40 0 3 9 6 2 8 0 3 10 30 57 7 10 14 6 2 1 2 70 5 15 4 3 12 20 2 6 2 0 1 1 136 190 0 4 30 1. Chân đế 2. Tấm vỏ đáy 3,4. Tấm khuôn dưới, trên 5. Tấm cách nhiệt 6. Tấm điện trở 7. Lò xo 8. Tấm vỏ hông 9. Tấm vỏ trên 10. Trục vít 11. Đai ốc 12. Tấm cách nhiệt 13. Tay quay 14. Đầu điện trở 15. Tấm mẫu chế tạo Hình 3.1. Các chi tiết của thiết bị chế tạo. 3.1.2. Quy trình chế tạo, lắp đặt thiết bị. 3.1.2.1. Quy trình chế tạo cốt và tấm ép. Cốt là chi tiết gắn với lò xo và trục vít để đảm bảo khi trục vít quay mà lò xo vẫn đứng yên. + Chế tạo ổ trục: Sau khi chuẩn bị phôi ta tiến hành xác định tâm và đường kính cần tiện của phôi và gá đặt phôi trên mâm tiện sao cho mũi dao trùng với tâm chi tiết gia công và đảm bảo đường kính của lỗ tiện. Ta tiến hành đưa dao vào tiện cho đến khi thông suốt lỗ trục và làm mát vị trí tiếp xúc giữa dao tiện và phôi. Sau đó tiến hành khoan lỗ để gắn vít giữ trục và tạo ren cho lỗ như hình 3.2. 33 Hình 3.2. Cốt để gắn với trục vít. + Chế tạo tấm lót: Xác định tâm, đường kính và cắt tấm lót giữa ổ trục với lo xo theo kích thước đã xác định của bản vẽ (hình 3.3). Hình 3.3. Tấm lót. 34 Cắt ống để giữ cố định lò xo với cốt theo kích thước bản vẽ. Hình 3.4. Ống giữ cố định lò xo với cốt. Hàn các chi tiết vừa gia công lại với nhau tạo thành cốt hoàn chỉnh. Hình 3.5. Cốt hoàn chỉnh. + Lấy tấm lót làm chuẩn ta tiến hành xác định tâm và đường kính ngoài của ổ trục và của ống giữ cố định lò xo lên hai mặt của tấm lót. + Sau đó ta tiến hành cố định ổ trục theo đường kính đã vạch sẵn để tránh lệch tâm và tiến hành hàn. Sau khi hàn xong ổ trục ta lật ngược lại tiến hành cân chỉnh và 35 hàn ống giữ lò xo vào mặt kia của tấm lót theo vị trị đã vạch sẵn (hàn ở bên trong ống để đảm bảo khi gắn lò xo vào không bị cấn đường hàn) + Mài đường hàn và làm sạch bề mặt của chi tiết (hình 3.5). Tiện rãnh trên trục vít để gắn ốc cố định giữa cốt và trục vít với nhau đảm bảo cho trục vít quay mà không bị tuột ra khỏi cốt. Hình 3.6. Tiện rãnh trục vít. + Chế tạo tấm ép: Sau khi cắt tấm ép theo kích thước thiết kế, ta tiến hành mài phẳng sau đó khoan lỗ và hàn ống gắn đai ốc lên hai tấm khuôn ép để gắn cố định đầu cảm biến nhiệt vào. Hình 3.7. Tấm ép. 3.1.2.2. Quy trình chế tạo phần vỏ thiết bị. a. Cắt thép theo kích thước thiết kế. + Đo, vạch dấu các theo các kích thước của thiết bị như tấm đáy, tâm hông, tấm trên, tấm ép, các nẹp gia cường và chân đế. + Gá đặt, cố định vào máy cắt theo dấu đã vạch. 36 + Cắt rời từng chi tiết của thiết bị (hình 3.8). Hình 3.8. Các chi tiết sau khi cắt. b. Làm sạch bề mặt, đường cắt và mài đường hàn. Sau khi cắt ta tiến hành mài để loại bỏ gỉ sét, tạp chất ở bề mặt, đường cắt và sau đó mài đường để hàn. c. Khoan lỗ cho tấm đáy và tấm trên. + Xác định tâm, đường kính của tấm thép tại vị trị cần khoan lỗ với đường kính lỗ tấm trên là 24mm, 2 lỗ tấm dưới để đặt nguồn điện trở đi ra là 20mm. + Gá đặt tấm cần khoan đúng tâm trên bàn máy khoan. + Dùng mũi khoan 10mm khoan trước để giảm lực khoét và đảm bảo độ chính tâm hơn. + Sau đó dùng mũi khoan 24mm đối với tấm đáy (hình 3.9) và 20mm đối với tấm trên (hình 3.10) để khoét lại lỗ khoan cho đúng kích thước. 37 Hình 3.9. Khoan lỗ tấm đáy Hình 3.10. Khoan lỗ tấm trên. Chú ý: Để lấy hết phoi trong lỗ khoan sau mỗi vòng quay thì mũi khoan phải tiến thêm một khoảng gọi là tiến dao, lượng tiến dao quyết định năng suất, chất lượng bề mặt lỗ khoan và nó phụ thuộc vào năng suất của máy khoan. Tiến dao lớn cho năng suất cao nhưng chất lượng bề mặt lỗ khoan kém và đòi hỏi máy có công suất cao. Tiến dao nhỏ cho chất lượng bề mặt lỗ khoan tốt, thích hợp cho máy có công suất nhỏ, nhưng chậm, năng suất kém. 38 Thông thường lượng tiến dao bằng tay có thể nhận biết bằng mắt, bằng tai như sau: + Khi phoi tạo ra trong lúc khoan lớn, cứng, có tiếng lách tách nho nhỏ do phoi bị biến dạng gây ra, máy bị mất vận tốc (bị chậm lại) có nghĩa là lượng tiến dao quá lớn. + Khi phoi tạo ra trong lúc khoan bị vụn, có tiếng rít từ vị trí cắt phát ra có nghĩa là lượng tiến dao quá nhỏ. + Tùy theo hiện tượng kể trên mà ta tăng hoặc giảm lực tiến dao cho hợp lý, chú ý phải giữ cho lượng tiến dao đều suốt quá trình khoan bằng cách nhìn kích thước phoi được tạo ra. + Đồng thời ta làm mát tại vị trí lỗ khoan bằng nước hoặc bằng dầu nhớt để giảm nhiệt và giảm ma sát. d. Lắp ráp các chi tiết. Một sản phẩm cơ khí do nhiều chi tiết hợp thành. Sau khi các chi tiết được gia công xong trong phân xưởng cơ khí, chúng ta phải lắp đặt chúng lại với nhau để tạo thành một sản phẩm hoàn thiện. Nếu quá trình gia công cơ khí là giai đoạn chủ yếu của quá trình sản xuất thì quá trình lắp ráp là giai đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất ấy. Quá trình lắp ráp là một quá trình lao động kỹ thuật phức tạp. Mức độ phức tạp, khối lượng lắp ráp liên quan chặt chẽ đến quá trình gia công cơ vì gia công các chi tiết càng chính xác thì lắp ráp chúng sẽ nhanh, chọn lắp dễ dàng, ít sửa chữa,… Quá trình lắp ráp khó thực hiện cơ khí hóa, tự động hóa mà phần lớn phải làm bằng tay. Chất lượng lắp ráp quyết định chất lượng sản phẩm. Quy trình lắp ráp được tiến hành như sau: + Lấy tấm đáy làm mặt chuẩn ta tiến hành vạch dấu lắp ráp. + Đặt tấm đáy trên mặt phẳng cân chỉnh đảm bảo độ phẳng và độ vuông góc của 2 tấm hông so với tấm đáy. + Hàn 2 tấm hông lên tấm đáy theo vị trí lắp ráp đã vạch sẵn. 39 Hình 3.11. Hàn cố định 2 tấm hông lên tấm đáy. + Đặt tấm trên lên mặt phẳng và úp ngược đáy và hông lên theo vị trị đã vạch dấu lắp ráp tiến hành cân chỉnh và hàn cố định. Hình 3.12. Hàn tấm trên vào tấm hông. + Hàn các nẹp gia cường vào những ví trí đã vạch dấu để gia cường cho phần khung vỏ được cứng vững. 40 Hình 3.13. Hàn các nẹp gia cường vào vị trí vạch dấu. + Luồn trục vít vào lỗ khoét của tấm trên, sau đó vặn đai ốc vào phía trên và cân chỉnh đúng tâm. Hàn đai ốc vào vị trí lỗ khoét trên tấm trên đảm bảo đồng tâm giữa đai ốc và lỗ khoét. Để tránh biến dạng khi hàn ta chỉ hàn cố định điểm đai ốc vào đúng tâm lỗ khoét và hàn nẹp gia cường vào trước. Sau đó mới tiến hành hàn đai ốc vào tấm trên. Hình 3.14. Hàn đai ốc vào tấm trên. + Hàn đai ốc lên trên đỉnh của trục vít và luồn tay quay vào tạo đinh tán cố định tay quay trong đai ốc. 41 Hình 3.15. Lắp tay quay lên trục vít. + Hàn chân đế vào tấm đáy và gắn cụm cốt vào trục vít. Hình 3.16. Hàn chân đế và lắp cốt vào trục vít. Sau khi chế tạo xong phần cơ khí ta tiến hành mài nhẵn toàn bộ và sơn chống gỉ cũng như thẩm mĩ cho thiết bị. Sau đó tiếp tục lắp các tấm cách nhiệt, tấm điện trở, tấm gắn cảm biến nhiệt vào thiết bị và tiến hành nối dây hoàn thiện thiết bị. 42 a) Mặt trước của thiết bị. b) Mặt sau của thiết bị. Hình 3.17. Thiết bị chế tạo hoàn chỉnh. 3.1.2.3. Kiểm tra. - Kiểm tra về mặt cơ khí: Tại những vị trị mối hàn phải đảm bảo không rỗ khí, không bị nứt, lẫn xỉ hay biến dạng,…; Tại vị trí lỗ khoan xem có đảm bảo đúng tâm so với vị trí đã vạch dấu, có dính ba via không,… - Kiểm tra độ chính xác khi lắp ráp của các thiết bị: Kiểm tra độ vuông góc của các cạnh, kích thước chính của thiết bị có đảm bảo như thiết kế không,… - Kiểm tra về độ an toàn điện: Kiểm tra các mối nối ở các tiếp điểm của thiết bị, dây dẫn, phích cắm, cũng như trên phần thân của thiết bị xem có bị rò rỉ điện không. - Kiểm tra khả năng làm việc của máy có đúng như yêu cầu thiết kế: + Kiểm tra hoạt động của cảm biến nhiệt: Điều chỉnh cảm biến nhiệt ở các mức nhiệt độ chênh lệch khác nhau để kiểm tra xem cảm biến nhiệt có hoạt động tốt, đúng giá trị không. + Kiểm tra lò xo: Kiểm tra lò xo có gắn chặt với cốt không đảm bảo khi làm việc nó không bị xoay theo trục hoặc trượt trên tấm ép. + Kiểm tra sự thất thoát nhiệt của thiết bị khi hoạt động: Điều chỉnh cảm biến nhiệt đến giá trị lớn nhất, sau một thời gian kiểm tra các chi tiết của thiết bị có bị nóng theo không. 43 3.2. CHẾ TẠO MẪU THỬ. 3.2.1. Công tác chuẩn bị. Để tiến hành chế tạo mẫu thử ta cần phải chuẩn bị các thiết bị như sau: + Tấm prepreg. + Thước kẻ, bút và kéo để cắt tấm prepreg. + Vải mềm để lót lên khuôn ép. + Thiết bị chế tạo mẫu thử vừa được chế tạo ở trên. 3.2.2. Quy trình chế tạo mẫu thử. + Vật liệu prepreg (sợi carbon tẩm sẵn nhựa epoxy) được lấy ra khỏi thiết bị làm lạnh và để về nhiệt độ môi trường. + Tiến hành chia và cắt thành từng tấm phù hợp với kích thước của tấm khuôn ép mẫu là 180x100mm. Hình 3.18. Mẫu compsote sau khi cắt. + Loại bỏ một phần lớp nylon trên bề mặt của các tấm prepreg và phơi dưới ánh nắng mặt trời (hoặc dùng bàn ủi) để làm nóng lớp nhựa epoxy tạo kết dính giữa các lớp với nhau. + Đính lần lượt các tấm lại với nhau và dùng vải sạch chà mạnh ở mỗi lớp để tạo độ kết dính tốt giữa các lớp lại với nhau cho đến khi đạt được chiều dày theo yêu cầu. Mỗi lớp composite dạng băng tẩm có chiều dày 0,125mm, để đạt được độ dày 2mm như tiêu chuẩn ta cần đính 16 lớp. 44 Hình 3.19. Thao tác chế tạo tấm mẫu thử. + Sau khi dán đủ số lớp quy định ta hành đặt mẫu chế tạo lên tấm ép dưới của thiết bị, lót vải sạch, cân chỉnh và tiến hành lắp tấm ép trên vào. + Vặn trục vít nén lò xo xuống đúng giá trị đã tính sẵn và dựa vào đồ thị thử lò xo để xác định độ dài chuyển vị nén (đính kèm ở phần phụ lục).Với lực nén 454 kg tra đồ thị thử lò xo ta có chuyển vị nén là 33mm. Hình 3.20. Nén lò xo tới giá trị lực xác định. + Điều chỉnh cảm biến nhiệt về nhiệt độ thích hợp cắm điện cho thiết bị hoạt động và dùng bút thử điện kiểm tra để tránh điện rò rỉ để đảm bảo an toàn. Do thời 45 gian và kinh phí có hạn nên đồ án chỉ tiến hành làm 2 mẫu với nhiệt độ ép 800C và 900C. + Sau 3 giờ ta ngắt điện, lấy mẫu ra khỏi tấm ép ta được sản phẩm như hình 3.21. Hình 3.21. Tấm mẫu thử chế tạo. 3.2.3. Thử nghiệm mẫu. Sau khi chế tạo xong, mẫu thử được thử nghiệm kéo và thử nghiệm uốn để xác định cơ tính nhằm đánh giá với mẫu thử được chế tạo bằng nồi hấp tiêu chuẩn với cùng điều kiện chế tạo. 3.2.3.1. Quy định về mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO R 527. Phương pháp này thích hợp với composite nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo, bao gồm các vật liệu tẩm nhựa trước. Các chất gia cường bao gồm sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid và các sợi tương tự khác. Dạng hình học của chất gia cường bao gồm các sợi và sợi chùm đơn hướng (nghĩa là chỉ theo một hướng), vải và dải đơn hướng. Hình dạng và kích thước của mẫu thử tiêu chuẩn như hình 3.22. Hình 3.22. Quy cách mẫu thử theo tiêu chuẩn ISO R 527 46 Chiều dài lớn nhất l3 Chiều dài của phần mặt hẹp song song l1 = 60 Khoảng cách giữa đai đầu và đai cuối 150 mm 0,5 mm l2 = 104 – 113 mm Chiều rộng ở hai đầu b2 = 20 0,2 mm Chiều rộng ở phần hẹp b1 = 10 0,2 mm Chiều dày h=2 Chiều dài đo L0 = 50 0,5 mm Khoảng cách ban đầu của hai đầu kẹp L =115 1mm 0,2 mm Sau khi phân tích hình dạng và kích thước của mẫu thử theo tiêu chuẩn trên, ta chọn kích thước của mẫu thử kéo như hình 3.23 và mẫu thử uốn như hình 3.24 với R 5 chiều dày như mẫu đã chế tạo. 10 20 2 60 180 Hình 3.23. Quy cách mẫu thử kéo. 10 2 180 Hình 3.24. Quy cách mẫu thử uốn. 3.2.3.2. Chế tạo mẫu thử tiêu chuẩn. Sau khi tấm mẫu thử được chế tạo xong ta tiến hành vạch dấu và cắt thành từng mẫu như kích thước đã chọn ở trên (hình 3.25, 3.26). 47 Hình 3.25. Mẫu thử kéo sau khi cắt. Hình 3.26. Mẫu thử uốn sau khi cắt. Đối với mẫu thử kéo ta tiến hành vạch dấu và mài để tạo mẫu thử theo tiêu chuẩn (hình 3.27). 48 Hình 3.27. Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn. Ta tiến hành vạch dấu vị trị cần đo chiều dày và chiều rộng sau đó đánh dấu kí hiệu mẫu thử để phân biệt giữa các mẫu. Hình 3.28. Đánh dấu kí hiệu mẫu thử. Sau đó ta tiến hành đo chiều rộng, chiều dày tại những điểm đã đánh dấu để xác định vị trí bị biến dạng sau khi thử mẫu xong. 49 Bảng 3.1. Các thông số của mẫu thử. Phương Ký hiệu mẫu pháp thử Thử kéo Thử uốn Nhiệt độ chế Kích thước mẫu (mm) Chiều rộng Chiều dày CE –T11 (A1) 10,18 1,84 CE –T12 (A2) 10,57 1,90 CE –T21 (B1) 10,64 1,95 CE –T22 (B2) 10,25 1,95 tạo (0C) 90 80 CE –B11 (A1) 10,17 10,42 10,30 1,90 1,96 1,92 90 CE –B12 (B1) 10,23 10,45 10,34 1,92 1,95 1,91 80 3.2.4. Kết quả thử nghiệm. Sau khi chế tạo xong mẫu thử được thử nghiệm tại Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy nhằm xác định cơ tính để lấy kết quả đánh giá với mẫu thử được chế tạo bằng nồi hấp tiêu chuẩn có cùng điều kiện chế tạo. Kết quả thử nghiệm kéo và thử nghiệm uốn đưa ra được ứng suất và modul đàn hồi như bảng 3.2. Bảng 3.2. Kết quả thử nghiệm mẫu. Phương TT Kích thước mẫu (mm) pháp thử Ứng suất Modul Nhiệt độ (MPa) đàn hồi (0C) (MPa) Kéo Uốn CE –T11 10,18 1,84 776,2 39634,4 90 CE –T12 10,57 1,90 1002 39948,8 CE –T21 10,64 1,95 1039 32861,9 CE –T22 10,25 1,95 1097 36319,0 CE –B11 10,17 1,90 1141,1 90040,0 80 CE –B12 10,34 1,91 1193,6 95594,3 90 80 50 3.3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. Dựa vào bảng kết quả thử nghiệm mẫu (bảng 3.2) ta thấy ứng suất và modul đàn hồi có xu hướng tăng khi mẫu thử được chế tạo ở nhiệt độ cao hơn, dần về nhiệt độ chảy của nhựa epoxy 1200C. Ta có ứng suất kéo và modul đàn hồi (theo TCVN 4501) được tính theo công thức sau: Trong đó: + giá trị ứng suất kéo, MPa + P lực đo được tương ứng, N + A diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử, mm2 + modul đàn hồi, MPa + ứng suất được đo tại giá trị độ biến dạng , MPa + ứng suất được đo tại giá trị độ biến dạng , MPa Do mẫu được chế tạo theo tiêu chuẩn nên tiết diện A của mẫu tương đối bằng nhau ở mọi điểm, dựa vào công thức (*) ta thấy lực tác dụng P tỉ lệ với ứng suất . Từ kết quả thử nghiệm ta thấy mẫu thử chế tạo có ứng suất kéo lớn hơn hẳn ứng suất của mẫu thử tiêu chuẩn cho thấy mẫu chế tạo chịu được lực cắt lớn hơn mẫu tiêu chuẩn. Dựa vào công thức (**) ta thấy modul đàn hồi phụ thuộc vào lực biến dạng , tại vị trí có độ . Từ kết quả thử nghiệm ta thấy mẫu thử chế tạo có modul đàn hồi nhỏ hơn hẳn modul đàn hồi của mẫu thử tiêu chuẩn cho thấy lực để làm biến dạng từ giá trị đến của mẫu chế tạo nhỏ. 51 Bảng 3.3. Giá trị ứng suất và modul đàn hồi trung bình của mẫu. Phương pháp thử Mẫu 800C Mẫu 900C Mẫu chuẩn Ứng suất Modul Ứng suất Modul Ứng suất Modul (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Thử kéo 1068 34590,45 889,1 39791,6 600 70000 Thử uốn 1141,1 90040,0 1193,6 95594,3 1300 110000 Dựa vào bảng 3.3, so sánh giá trị ứng suất và modul đàn hồi của mẫu chế tạo với mẫu tiêu chuẩn ta nhận thấy: + Với phương pháp thử kéo, giá trị ứng suất thì rất cao 78% (mẫu ở 800C) và 48% (mẫu ở 900C) so với mẫu tiêu chuẩn, nhưng giá trị modul đàn hồi lại rất thấp chỉ đạt 49,4% (mẫu ở 800C) và 56,8% (mẫu ở 900C). Điều này có thể là do mẫu chưa đạt tới nhiệt độ yêu cầu trong quá trình chế tạo và trong quá trình thử mẫu việc gá kẹp mẫu chưa đảm bảo, độ bám của mẫu thử vào đầu kẹp không cao, làm cho mẫu bị trượt khi kéo gây ảnh hưởng đến kết quả cũng như mẫu thử chưa đến giá trị giới hạn bền thì đã bị tách ở đầu kẹp (hình 3.29). Hình 3.29 Mẫu thử sau khi kéo. + Với phương pháp thử uốn, giá trị ứng suất và modul đàn hồi gần đạt đến giá trị của mẫu thử tiêu chuẩn. Mẫu chế tạo ở 800C giá trị ứng suất và modul đàn hồi lần lượt là 87,7% và 81,8%, mẫu ở 900C giá trị ứng suất và modul đàn hồi lần lượt là 91,8% và 86,9% so với mẫu tiêu chuẩn. 52 Hình 3.30. Mẫu sau khi thử nghiệm. Như vậy nếu chế tạo mẫu ở nhiệt độ theo yêu cầu, với thiết bị đã thiết kế chế tạo có thể tạo ra mẫu thử đạt được cơ tính tiệm cận với cơ tính của mẫu tiêu chuẩn chế tạo bằng nồi hấp. 53 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 4.1. KẾT LUẬN. Sau hơn 3 tháng thực hiện đề tài được giao, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy Ts. Phạm Thanh Nhựt đến nay đồ án đã hoàn thành những nhiệm vụ được giao. Đồ án đã đánh giá và tìm hiểu được các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của thiết bị tạo mẫu thử nhằm đưa ra được các thông số, cấu tạo của thiết bị. Dựa vào đó để tính chọn các thiết bị như điện trở, lò xo nén, cảm biến nhiệt, trục vít,… phù hợp với yêu cầu thiết bị, từ đó xây dựng lên bản vẽ thiết kế với đầy đủ các thông số kỹ thuật phục vụ cho công tác chế tạo thiết bị. Thiết bị chế tạo ra đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật, hoạt động tốt, dễ dàng sử dụng và bảo dưỡng cũng như có tính thẩm mỹ cao, giá thành tương đối rẻ. Từ đó chế tạo ra được tấm mẫu thử đảm bảo về áp lực và nhiệt độ theo yêu cầu. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian, kinh phí, số mẫu chế tạo còn hạn chế, và chưa điều chỉnh đến nhiệt độ quy định nên chất lượng mẫu thử vẫn chưa đảm bảo được cơ tính như mẫu thử được tạo ra từ nồi hấp tiêu chuẩn. 4.2. KIẾN NGHỊ. 4.2.1. Kiến nghị sử dụng thiết bị. 4.1.1.1. Thời gian làm việc. Để đảm bảo cho thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả, chỉ nên sử dụng thiết bị từ 6 đến 8 giờ mỗi ngày, sau mỗi lần sử dụng chế tạo mẫu nên cho thiết bị ngừng hoạt động 30 phút trước khi chế tạo mẫu tiếp theo sẽ đảm bảo được tuổi thọ của thiết bị. 4.1.1.2. Kiểm tra hệ thống thiết bị chế tạo mẫu composite. Trước khi vận hành cần phải kiểm tra các bộ phận sau: - Kiểm tra đầu cảm biến nhiệt có được gắn chặt vào trong tấm ép chưa để đảm bảo có thể đo được chính xác nhiệt độ của thiết bị. - Kiểm tra các mối nối ở điểm tiếp xúc giữa dây điện với cảm biến nhiệt, dây điện với điện trở để tránh rò rỉ điện ra vỏ ngoài trước khi vận hành máy. - Kiểm tra cảm biến nhiệt xem có đóng ngắt đúng nhiệt độ quy định không. 4.1.1.3. Bảo dưỡng và vệ sinh thiết bị. Nếu thiết bị hoạt động thường xuyên phải kiểm tra định kỳ về kỹ thuật cũng như vệ sinh, lau chùi các bộ phận của thiết bị, tra nhớt vào trục vít để thiết bị hoạt động 54 trơn tru công việc này tuy đơn giản nhưng có thể giúp tăng thời gian sử dụng của thiết bị và đảm bảo thiết bị hoạt động chính xác hơn. 4.2.2. Những hạn chế của thiết bị. Tuy đã được thiết kế, tính toán và chế tạo tuy nhiên thiết bị vẫn còn nhiều hạn chế khi mang ứng dụng vào thực tế. Bộ phận cách nhiệt chưa được tính toán và lựa chọn hợp lý nên gây thất thoát nhiệt ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Thiết bị có kích thước nhỏ nên gặp khó khăn trong việc chế tạo các mẫu composite dạng băng tẩm lớn mà chỉ có thể tiến hành các mẫu nhỏ phục vụ cho công tác nghiên cứu. Do thời gian và kinh phí còn hạn hẹp nên thiết bị chỉ ở dạng thủ công, không sử dụng được các trang bị máy móc hiện đại đảm bảo độ chính xác tuyệt đối cũng như quy trình chế tạo còn mang tính thủ công không đảm bảo độ chính xác như thiết kế. Mẫu thử chế tạo từ thiết bị vẫn chưa đảm bảo được cơ tính như mẫu thử được chế tạo cùng tiêu chuẩn bằng nồi hấp tiêu chuẩn. 4.2.3. Đề xuất. Đồ án nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy và glass/epoxy vẫn còn nhiều thiếu sót hạn chế. Về mặt thiết kế cần có những cải tiến, ứng dụng công nghệ, tự động hóa nhiều hơn nữa để thiết bị được chính xác, hoàn thiện hơn, cũng như cần có những thiết kế mới mang tính khả thi, đột phá, để ứng dụng nhiều hơn vào thực tiễn. Về mặt chế tạo, thử nghiệm cần phải quản lý khắt khe hơn nữa quy trình chế tạo thiết bị, chế tạo mẫu để đảm bảo mẫu thử ở đúng nhiệt độ và áp suất trong suốt thời gian thiết bị hoạt động, cũng như quy trình thử mẫu để đảm bảo đánh giá chính xác nhất kết quả mẫu thử chế tạo ra. Vì vậy, tôi mong rằng trong thời gian tới sẽ có những đồ án tiếp theo nghiên cứu về những hạn chế còn tồn đọng trong đồ án này nhằm khắc phục những thiếu sót kể trên để thiết bị có thể đem lại hiệu quả, lợi ích cho xã hội, góp phần phát triển nghiên cứu khoa học công nghệ của nước nhà. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Ngọc Dũng – Nguyễn Quang Hưng. Công nghệ chế tạo máy. Nhà xuất bản Hà Nội, 2007. 2. Thuận Phú. Công nghệ chế tạo sản phẩm composite, 2002. 3. Lê Thái Phúc. Đồ án thiết kế kỹ thuật hệ thống máy nén áp suất phục vụ chế tạo mẫu composite sợi carbon.Đại học Nha Trang, 2014. 4. Nguyễn Trung Sơn – Nguyễn Đình Thiên. Kỹ thuật điện nhiệt. Hà Nội, 2006. 5. Nguyễn Hoa Thịnh.Vật liệu composite, cơ học và công nghệ. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 6. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 4501 – 2009. Chất dẻo - Xác định tính chất kéo. 7. TS. Phan Tấn Tùng. Bài giảng chi tiết máy. Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, 2008. 8. http://thegioidientro.com/ 9. http://vi.wikipedia.org/wiki/Cacbon 10. http://www.performancecomposites.com/carbonfibre/mechanicalproperties_2.asp 11. https://thuvientvc.files.wordpress.com/2013/08/trang-bi-dien-ii-p2.pdf 56 PHỤ LỤC 1. Phụ lục 1: Kết quả thử nghiệm lò xo. 2. Phụ lục 2: Phiếu kết quả kiểm nghiệm mẫu thử bao gồm kết quả thử nghiệm và đồ thị thử mẫu. 3. Phụ lục 3: Bản vẽ thiết bị. 57 [...]... cứu sinh về vật liệu nói chung và vật liệu composite nói riêng 1.2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/ epoxy và glass /epoxy bằng phương pháp thủ công 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài - Vật liệu composite dạng băng tẩm carbon/ epoxy và glass /epoxy - Thiết bị tạo mẫu thử. .. được chế tạo bằng nồi hấp tiêu chuẩn 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm những bước cụ thể sau: - Xây dựng các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật làm căn cứ thiết kế hệ thống thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm - Tính chọn các thiết bị phụ của hệ thống như thiết bị gia nhiệt, thiết bị nén tạo áp suất, thiết bị cảm biến nhiệt - Chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite. .. thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm với các thông số đã tính chọn - Chế tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/ epoxy và glass /epoxy với thiết bị đã tạo ra và kiểm tra, đánh giá mẫu tạo được so với mẫu tiêu chuẩn Do thời gian, kinh phí còn hạn hẹp nên việc chọn thiết kế và chế tạo thiết bị tạo mẫu thử composite chỉ theo phương pháp thủ công với kích thước mẫu thử tương đối nhỏ nhưng vẫn đảm... kiện của phương pháp chế tạo mẫu composite dạng băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn Đồng thời, do phương pháp chế tạo và thử nghiệm mẫu thử băng tẩm từ glass /epoxy hoàn toàn tương tự như carbon/ epoxy nên trong đề tài này chỉ chế tạo mẫu thử bằng carbon/ eboxy 9 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ 2.1 YÊU CẦU KINH TẾ - KỸ THUẬT 2.1.1 Yêu cầu kinh tế - Đảm bảo giá thành chế tạo thiết bị phải rẻ hơn so... dẫn đến chi phí chế tạo mẫu cao Nên việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm là một nhiệm vụ tất yếu nhằm giảm giá thành sản phẩm, tạo được mẫu thử đảm bảo yêu cầu phục vụ cho công tác nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn Tuy nhiên do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không được nhiều nên đề tài của tôi còn nhiều sai sót và hạn chế Mặc dù đã... thử composite dạng băng tẩm theo phương pháp thủ công 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở tìm hiểu điều kiện và phương pháp chế tạo vật liệu composite dạng 8 băng tẩm bằng nồi hấp tiêu chuẩn, tiến hành phân tích, đánh giá để làm cơ sở thiết kế, chế tạo thiết bị tạo mẫu composite theo phương pháp thủ công Tiến hành chế tạo mẫu thử nhằm xác định cơ tính và các hằng số vật liệu để so sánh với mẫu. .. kiện chế tạo của Việt Nam Do vậy việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị tạo mẫu composite dạng băng tẩm tối ưu, phù hợp với yêu cầu của nước ta là một nhiệm vụ cấp thiết cần phải thực hiện để góp phần phát triển công nghệ chế tạo vật liệu composite nói chung và vật liệu composite chất lượng cao nói riêng ở nước ta Cũng như giảm giá thành, tăng cường khả năng thực hành của đội ngũ sinh viên, nghiên. .. động và các trung tâm văn hoá,…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu Composite vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện 1.1.2 Composite dạng băng tẩm và phương pháp chế tạo 1.1.2.1 Khái niệm về composite dạng băng tẩm Composite dạng băng tẩm (Prepreg) là những bán sản phẩm đã qua những bước công nghệ ban đầu: Liên kết các loại vải và sợi (carbon, glass) ... khi chế tạo và hình dáng bề ngoài đẹp - Thiết kế nhỏ gọn, thân thiện với môi trường, dễ dàng bảo dưỡng, sữa chữa 2.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 2.2.1 Xây dựng mô hình thiết bị Yêu cầu của thiết bị tạo mẫu thử composite cần chế tạo: + Phải đảm bảo được lực nén khoảng 7 bar + Phải đảm bảo duy trì được nhiệt độ từ 100- 1200C trong vòng 3 giờ + Phải đảm bảo được kích thước của mẫu thử phù hợp Dựa vào mẫu thử. .. được chế tạo theo tiêu chuẩn ta chọn kích thước tấm mẫu thử cần chế tạo là 180x100x2mm Với kích thước như vậy ta có thể tạo ra được 2 mẫu thử uốn và 2 mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn Từ những yêu cầu trên ta phác thảo mô hình thiết bị như hình 2.1 để làm cơ sở cho việc tính toán và thiết kế 10 4 P 5 3 6 2 - 1 + 00 1 01 1 180 210 Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống thiết bị Các chi tiết và kích thước của thiết ... nghiên cứu - Thiết k và chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm carbon/epoxy glass/epoxy phương pháp thủ công Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo thiết bị, mẫu thử phương... thống thiết bị gia nhiệt, thiết bị nén tạo áp suất, thiết bị cảm biến nhiệt - Chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm với thông số tính chọn - Chế tạo mẫu thử composite dạng. .. biến giá thành vật liệu thiết bị dùng chế tạo cao, dẫn đến chi phí chế tạo mẫu cao Nên việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị tạo mẫu thử composite dạng băng tẩm nhiệm vụ tất yếu nhằm