GIẢI PHÁP NÂNG CAO NĂNG SUẤT TRONG CHẾ TẠO ROTOR STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG KHUÔN DẬP LIÊN TỤC IMPROVING PRODUCTIVITY FOR MANUFACTURING ROTOR, STATOR OF ELECTRIC MOTORS BY PROGRESSIVE ST
Trang 1GIẢI PHÁP NÂNG CAO NĂNG SUẤT TRONG CHẾ TẠO ROTOR STATOR
ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG KHUÔN DẬP LIÊN TỤC
IMPROVING PRODUCTIVITY FOR MANUFACTURING ROTOR, STATOR OF
ELECTRIC MOTORS BY PROGRESSIVE STAMPING DIE
Nguyễn Thị Thu 1a , Nguyễn Đắc Trung 1 , Lê Trung Kiên 1 , Đỗ Huy Đăng 2b
1 Bộ môn Gia công áp lực, Viên Cơ khí, Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội
2 Công ty TNHH Cơ khí Tây Mỗ, Hà Nội
TÓM TẮT
Dập liên tục là công nghệ kết hợp hai hay nhiều nguyên công trên cùng một khuôn, trong đó các nguyên công được thực hiện một cách tuần tự liên tục với sự dịch chuyển phôi liên tục theo bước của chày sau một số hành trình của máy Thiết kế và chế tạo khuôn liên tục
là một quá trình phức tạp, đòi hỏi người thiết kế nắm vững các kiến thức về tính toán cũng như các phương pháp gia công tiên tiến hiện nay Việc ứng dụng các công nghệ mô phỏng trên máy tính vào thiết kế và gia công khuôn hiện đại đã làm tăng độ chính xác, tốc độ, hiệu quả của khuôn dập liên tục, do đó đáp ứng nhu cầu sản xuất các chi tiết loạt lớn, có tính lắp lẫn cao, giá thành hạ cho các ngành công nghiệp Với mong muốn ứng dụng những ưu điểm của công nghệ dập liên tục vào sản xuất, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn sản phẩm lá thép rotor
và stator trong động cơ điện để cải tiến năng suất và nâng cao chất lượng sản phẩm
Từ khóa: dập liên tục, rotor và stator
ABSTRACT
Progressive stamping is a metalworking method that can encompass punching, bending and several other ways of modifying metal raw material, combined with an automatic feeding system Designing and manufacturing progressive die are complex processes, requiring the designer to master the knowledge of computational methods as well as advanced processing The application of technology on computer simulation to design and process dies increases accuracy, speed and efficiency of progressive dies Therefore it has to meet the production needs of detailed big series and low cost for industry Wishing to apply the advantages of progressive stamping technology into production, the team chose the rotor and stator of electric motors to improve productivity and enhance product quality
Keywords: rotor, stator, progressive stamping, progressive die
1 GIỚI THIỆU VỀ KHUÔN DẬP LIÊN TỤC
Ở Việt Nam, dập liên tục tự động vẫn còn là vấn đề mới và ứng dụng hạn chế do chưa làm chủ về công nghệ, trang thiết bị và nguyên vật liệu Khuôn liên tục với những ưu điểm nổi bật như: năng suất và độ chính xác sản phẩm cao, giảm diện tích sản xuất, giảm chi phí năng lượng, nhân công, thời gian,… đang có xu hướng được sử dụng rộng rãi hơn ở nước ta
Do vậy, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ khuôn liên tục chất lượng cao là hết sức cần thiết và cấp bách đối với sản xuất công nghiệp Khuôn dập liên tục được thiết kế và chế tạo trong nước với giá thành phù hợp có thể đảm bảo nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời mở ra khả năng phát triển và đa dạng hoá sản phẩm, thay thế dần việc nhập khẩu, nâng cao giá trị gia tăng, tạo sức cạnh tranh của các sản phẩm trong nước [1] [2]
Trang 2Hiện nay, động cơ điện là thiết bị sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là các động cơ có dải công suất nhỏ từ 0,35 ÷ 5 KW với lượng tiêu thụ hàng năm là khoảng 1,6 triệu chiếc/năm Tuy nhiên, thị trường sản xuất trong nước mới chỉ đáp ứng được khoảng 40% nhu cầu, còn lại là 60% nhập ngoại từ các nước như: Trung Quốc, Đài Loan, Nhật, Hàn quốc,… Đối với các loại động cơ công suất lớn 10 KW trở lên thì 100% đều phải nhập ngoại [3,4] Để đáp ứng được thị trường trong nước, cạnh tranh với sản phẩm nhập ngoại thì cải tiến thiết bị, nâng cao năng suất là cần thiết Các động cơ điện thường gặp dùng trong gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước, máy hút bụi,… hoặc trong các máy móc, thiết bị cơ khí
Hình 1 Hình ảnh sản phẩm động cơ điện [5]
Lá rotor, stator có thể được chế tạo rời từng lá, sau đó ghép lại với nhau thành khối Dạng khuôn hiện nay vẫn là khuôn đơn hoặc phối hợp Tuy nhiên, phương pháp làm này rất thủ công và không phù hợp với nhu cầu thực tế Hơn nữa, giá thành không có tính cạnh tranh Với sản lượng tiêu thụ lớn về động cơ điện như vậy, nên trong nước đã đầu tư vào sản xuất các dạng sản phẩm lá rotor và stator của các dải công suất khác nhau Tuy nhiên, có một thực trạng là năng suất sản xuất trong nước chưa đủ cung cấp cho thị trường trong nước, dẫn đến việc phải nhập khẩu Mặt khác, giá thành sản phẩm là yếu tố quyết định đến việc tiêu thụ sản phẩm, do đó cần tăng năng suất để giảm giá thành, có như vậy thì sản phẩm mới có tính cạnh tranh, đặc biệt là với hàng Trung Quốc Một số doanh nghiệp lớn nhập những dây chuyền thiết bị sản xuất từ nước ngoài, còn doanh nghiệp vừa và nhỏ thì sử dụng các dạng thiết bị đã qua sử dụng hay các thiết bị tự chế tạo Nhiều nhà máy sử dụng khuôn dập liên tục một dãy
Hình 2 Hình ảnh khuôn liên tục một dãy sản xuất rotor và stator [5]
Hiện nay, các thiết bị trong nước chưa đáp ứng được hết nhu cầu tiêu thụ của thị trường Nguyên nhân chủ yếu là do năng suất không cao, sản lượng thấp dẫn đến giá thành cao, rất khó cạnh tranh Trong nhiều năm qua, nhóm nghiên cứu kết hợp với Công ty Cơ khí Tây Mỗ đã phát triển thành công khuôn dập liên tục một dãy, cung cấp được nhiều khuôn dập lá rotor,
stator cỡ nhỏ cho nhiều doanh nghiệp sản xuất động cơ trên địa bàn Hà Nội cũng như cả nước
Trang 3Công nghệ sản xuất hai dãy lá thép rotor và stator động cơ điện:
Ta tiến hành dập trên khuôn liên tục với quy trình công nghệ như sau:
Hình 3 Các bước chế tạo rotor và stator hai dãy
Tóm lại, phương pháp dập liên tục thích hợp sử dụng, cho hiệu quả và độ chính xác cao khi dập các chi tiết rotor và stator Các thông số công nghệ được xác định để phục vụ cho quá trình tính toán, thiết kế khuôn Từ các nghiên cứu đã thu được, ta nhận thấy rằng phương pháp dập liên tục bắt buộc phải sử dụng bộ khuôn liên tục kết hợp cơ cấu cấp phôi tự động
2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KHUÔN DẬP LIÊN TỤC HAI DÃY ROTOR VÀ STATOR ĐỘNG CƠ
Khuôn liên tục dập rotor và stator động cơ điện: là thiết bị phức tạp Hệ thống khuôn
còn bao gồm cả hệ thống nhà phôi, hệ thống cấp phôi liên tục Khuôn được tích hợp rất nhiều
bộ phận, chi tiết, chuyển động, bao gồm bộ phận cơ bản: khuôn trên, khuôn dưới, dẫn hướng,
hệ thống các chày cối cắt đột định vị, tạo hình Khuôn liên tục dập rotor và stator động cơ điện có những kết cấu tự động ghép thành quả rotor và stator, ngoài ra nó cũng tích hợp bộ đếm PLC để tự động tách quả Sản phẩm cuối cùng là quả rotor và stator với kích thước mong muốn Vấn đề tiết kiệm vật liệu là bài toán tối ưu hàng đầu của khuôn liên tục Và với cơ chế hoạt động tự động, sản phẩm đảm bảo năng suất cao, độ chính xác cao, do đó hạ giá thành sản phẩm Vì vậy, khuôn liên tục luôn là lựa chọn hàng đầu hiện nay trong các nhà máy sản xuất công nghiệp
Dựa trên những cơ sở lý thuyết về tính toán thiết kế khuôn liên tục đã được thực hiện nhiều năm qua các công trình nghiên cứu, nhóm chuyên môn đưa ra các phương án để chế tạo thành công khuôn liên tục dập động cơ điện Và cũng xuất phát từ yêu cầu thực tế cần sản phẩm với sản lượng cao, nhóm nghiên cứu đi sâu vào làm thế nào để tăng năng suất cho kiểu khuôn dập rotor và stator, nhằm hạ giá thành chế tạo tới mức thấp nhất để có thể cạnh tranh với hàng của các nước trên thé giới, đặc biệt là Trung Quốc Theo tính toán của nhóm, chế tạo khuôn liên tục, dập hai dãy động cơ điện, năng suất cao để sản phẩm (lá thép rotor và stator) tiết kiệm phôi Việc tiết kiệm phôi sẽ bù vào giá thành của sản phẩm làm sản phẩm bán hàng giảm xuống
Khuôn liên tục là khuôn sản xuất tốc độ cao, 60 nhát/phút trở lên, do đó phát triển về hướng khuôn liên tục sẽ mở ra một thời kì mới với năng suất lớn hơn gấp nhiều lần so với sản xuất thủ công, hoặc so với khuôn đơn chiếc [2] Đi cùng với hoạt động của một bộ khuôn liên tục là các cơ cấu cấp phôi tự động, hệ thống ghép các tấm thành cụm chi tiết, hệ thống đếm và ngắt quả hoàn toàn tự động, hệ thống xoay các lá thép tạo từ trường, do đó đảm bảo độ chính xác cho sản phẩm cũng như tăng năng suất sản xuất
Thông số kỹ thuật cơ bản của sản phẩm lựa chọn để tính toán:
Loại Công suất Dòng điện
(A) Hệ số công suất
Hiệu suất (%)
Tốc độ (r/min) Tstart/Tn Ist/In Tmax/Tn
kW HP
Trang 4Thông số hình dạng hình học cơ bản của lá rotor và stator:
Hình 4 Bản vẽ chi tiết lá rotor và stator động cơ điện
Vật liệu dùng để chế tạo rotor và stator là thép silic còn có tên gọi khác là tôn silic, thép
kỹ thuật điện, thép điện từ, là thép chuyên dụng có tính năng từ tính cao, có tính trễ từ thấp và tính thấm từ rất tốt Thép silic thuộc loại hợp kim từ mềm (phân biệt với hợp kim từ cứng dùng chế tạo các nam châm vĩnh cửu)
Thành phần:
+ Hàm lượng cacbon 0,01÷0,1%
+ Các tạp chất < 0,02% để đảm bảo tổ chức ferit
+ Nguyên tố hợp kim chủ yếu: Si (là nguyên tố mở rộng vùng α – vùng có tổ chức ferit), khi Si hoà tan vào tổ chức ferit nó nâng cao điện trở của pha này và làm giảm tổn thất dòng fucô Ngoài ra, Si còn tác dụng tăng độ từ thẩm và giảm lực khử từ, giá trị cảm ứng bão hoà lớn
+ Hàm lượng Si không vượt quá 4%, bởi lớn hơn nữa có thể làm thép quá giòn (Tuy nhiên để làm lõi máy biên áp, stato máy điện có thể lấy hàm lượng Si ở giới hạn trên (3,8÷4,4%) bởi các chi tiết này làm việc ở chế độ tĩnh, ít bị biến động gây phá huỷ giòn
Thiết bị sản xuất rotor và stator động cơ điện:
Hình 5 Sơ đồ dây chuyền sản xuất rotor và stator trên khuôn liên tục
Trang 5Hình 6 Sơ đồ các bước dập 2 dãy rotor và stator thể hiện ở nửa khuôn dưới
Hình 7 Khuôn dập liên tục 2 dãy rotor và stator động cơ điện
Hình 8 Kết quả kiểm nghiệm một số chi tiết của khuôn
Trang 6Kết quả kiểm nghiệm bằng phần mềm Catia cho thấy các chi tiết đủ bền dưới tác động của lực biến dạng khi cắt đột sản phẩm rotor và stator theo tính toán Do vậy, có thể sử dụng kết quả này vào chế tạo gia công các chi tiết trên
3 KHUÔN DẬP LIÊN TỤC HAI DÃY ROTOR VÀ STATOR ĐỘNG CƠ
Tính toán năng suất và hệ số sử dụng vật liệu
Về hệ số sử dụng vật liệu: Trong sản xuất các chi tiết dạng tấm, vỏ mỏng, giá thành
phôi chiếm tới 70% giá trị sản phẩm, do đó, hệ số sử dụng vật liệu một trong các chỉ tiêu quan trọng để đánh giá tính công nghệ và hiệu quả sử dụng phôi Hệ số sử dụng vật liệu càng cao thì tính kinh tế và tính công nghệ của chi tiết càng cao
Theo tính toán, so sánh hệ số sử dụng vật liệu của khuôn dập liên tục một dãy và hai dãy so le như sau:
Trên khuôn dập liên tục 1 dãy Trên khuôn dập liên tục 2 dãy so le
Hình 9 Xếp hình trên phôi một dãy và phôi hai dãy
Về năng suất: xét trên cùng loại máy với số hành trình 40 nhát/ phút, trong 1 ca làm
việc của máy (8 tiếng):
Trên khuôn dập liên tục
1 dãy
Trên khuôn dập liên tục
2 dãy so le
So sánh kết quả, thấy rằng khuôn liên tục hai dãy so le cho năng suất vượt trội, hệ số sử dụng vật liệu tăng Do đó, khách hàng chỉ cần mang phôi đến tạo hình, rồi nhận về sản phẩm (82%) Toàn bộ chi phí về nhà xưởng, nhân công, máy móc, … được chi trả từ 18% phế liệu
còn lại và 8% sản phẩm đạt được do đổi mới công nghệ Thậm chí, với loạt sản xuất lớn,
phần phế liệu và 8% sản phẩm đạt được do đổi mới công nghệ cũng sẽ tăng, khi đó sản xuất
sẽ có giá trị thặng dư cao, và bù một phần vào giá của sản phẩm, do đó sẽ hạ giá thành sản phẩm đến mức thấp nhất
Trang 7Một số hình ảnh khuôn thực tế đã chế tạo theo thiết kế:
Hình 10 Một số hình ảnh khuôn đang chế tạo lắp ráp KẾT LUẬN
Với hệ thống khuôn dập liên tục, chúng ta thấy năng suất sản xuất tăng vượt trội, đem lại lợi nhuận cao cho nhà sản xuất Sản phẩm còn đạt được chất lượng cao về tính chính xác
và độ đồng đều chất lượng Giải pháp này tiết kiệm được 8% vật liệu làm khuôn và tăng gấp đôi năng suất so với khuôn dập liên tục một dãy Do vậy khuôn liên tục sản xuất hai dãy so-le rotor và stator là một trong những giải pháp tối ưu cho sản xuất lõi động cơ loại nhỏ ở thời điểm này
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Mậu Đằng (2006), Công nghệ tạo hình kim loại tấm NXB KHKT – Hà Nội [2] Nguyễn Đắc Trung (2011), Mô phỏng số quá trình biến dạng, NXB Bách Khoa – Hà Nội [3] http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/nghien-cuu-cong-nghe-dap-lien-tuc-tai-vienimi.228837.html [4] http://www.metalforming.vn/index.php/cn-dap-tam/cong-nghe-dap-tam
[5] http://www.chinfong.com.tw/english/products/04/01_hsd.html