Nghiên cứu và thiết kế đồ gá hàn nhằm giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ i

giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - TRầN quốc mạnh NGHIÊN CứU Và THIếT Kế Đồ Gá HàN NHằM GIảM ứng suất biến dạng hàn dầm chữ i luận văn thạc sÜ KHOA HäC Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: pgs.ts ngun thóc hµ Hµ NéI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn không chép tài liệu sử dụng cơng trình cơng bố (ngoại trừ bảng biểu số liệu tham khảo kiến thức tài liệu học tập nghiên cứu phép sử dụng) Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Tác giả Nguyễn Quốc Mạnh _3_ LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới PGS TS Nguyễn Thúc Hà, người hướng dẫn trực tiếp giúp đỡ tận tình việc định hướng nghiên cứu, tổ chức thực đến q trình viết hồn chỉnh Luận văn Tác giả bày tỏ lòng biết ơn Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí Viện đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành Luận văn Tác giả trân trọng cảm ơn PGS TS Bùi Văn Hạnh – Phó Viện trưởng Viện Cơ Khí có gợi ý việc thay đổi thiết kế đồ gá nhằm đảm bảo linh hoạt q trình gia cơng dầm hàn Tác giả trân trọng cảm ơn Văn phòng dự án Asia – link; Th.S, KSHQT Vũ Đình Toại Th.S, KSHQT Võ Văn Phong – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hồn thành phần mơ phần mềm Sysweld phần mềm Ansys trình bày Luận văn Do lực thân nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến Thầy/ Cô giáo, nhà khoa học bạn bè đồng nghiệp Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Tác giả Nguyễn Quốc Mạnh _4_ MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Các ký hiệu sử dụng luận văn Hệ thống danh mục hình vẽ Phần mở đầu 12 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu 13 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tóm tắt nội dung thực đóng góp tác giả 13 Phương pháp nghiên cứu 14 Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 15 1.1 Tổng quan loại đồ gá hàn 15 1.2 Đặc điểm cơng nghệ, tính chất làm việc loại đồ gá hàn 20 1.3 Tính cấp thiết việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo đồ gá hàn để giảm ứng suất biến dạng hàn dầm I 22 1.3.1 Tính kinh tế 22 1.3.2 Tính cơng nghệ 22 Kết luận chương 24 Chương 2: Ứng suất, biến dạng hàn dầm chữ I; lựa chọn 25 phương án thiết kế đồ gá 2.1 Sơ lược việc sử dụng dầm ngành khí 25 2.2 Ảnh hưởng thông số đến biến dạng hàn dầm 27 2.2.1 Chế độ hàn 27 2.2.2 Dạng liên kết hàn 27 2.2.3 Trình tự thực mối hàn _5_ 28 2.2.4 Việc sử dụng đồ gá hàn 28 2.3 Lựa chọn phương án thiết kế đồ gá hàn 28 2.3.1 Khung đồ gá 28 2.3.2 Các cấu dẫn động 29 2.3.3 Cơ cấu kẹp chặt 29 2.3.4 Cơ cấu định vị 29 2.3.5 Cơ cấu đẩy phôi hàn 29 2.3.6 Cơ cấu thay đổi vị trí dầm 29 2.4 Ứng suất biến dạng hàn hàn dầm 31 2.4.1 Ứng suất biến dạng liên kết hàn chữ T 31 2.4.2 Ứng suất biến dạng co dọc dầm hàn chữ I 38 2.4.3 Ví dụ tính tốn ứng suất biến dạng dầm 44 3.4.4 Tính tốn giá trị biến dạng góc sau hàn 47 Kết luận chương 49 Chương : Tính tốn thiết kế đồ gá hàn 49 3.1 Lựa chọn phần mềm tính tốn 50 3.1.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 3.2 Xây dựng sơ đồ tính tốn cho kết cấu 50 53 3.2.1 Phân tích kết cấu cần chế tạo 53 3.2.3 Lựa chọn dạng liên kết hàn 54 3.2.4 Lựa chọn chế độ hàn: Như mục 3.4.3 55 3.3 Thiết kế sơ phận đồ gá 55 3.3.1 Thiết kế chi tiết cụm đồ gá 56 3.3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển đồ gá 62 3.3.2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển lực kẹp 62 3.3.2.2 Tính tốn lực kẹp đồ gá mềm Ansys 64 3.3.2.3 Lựa chọn piston sử dụng đồ gá 72 3.3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển đồ gá 73 3.3.3.1 Thiết kế mạch điều khiển cho đồ gá 73 _6_ 3.3.3.2 Điều khiển chuyển động đồ gá 78 3.3.3.3 Thiết kế trình tự thực chuyển động đồ gá hàn 79 Kết luận chương 81 Kết luận kiến nghị 83 Kết luận 83 Kiến nghị 85 Tóm tắt luận văn 87 Tài liệu tham khảo 91 Phụ lục 93 Phụ lục 106 Phụ lục 111 Phụ lục 117 Phụ lục 122 _7_ CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Đơn vị b [mm] Kích thước vùng tính tốn δ [mm] Chiều dày vật liệu h [mm] Kích thước chi tiết F [mm ] P [N] J [mm] Mơ men qn tính б [N/m2] Ứng suất pháp τ [N/m2] Ứng suất tiếp E [N/m2] Mô đun đàn hồi γ [g/cm3] Khối lượng riêng µ Nội dung Diện tích tiết diện Lực tác dụng Hệ số Possion YA [mm] Chuyển vị F [mm2] Diện tích V [mm3] Thể tích m [kg] Khối lượng δ [%] Độ dãn dài tương đối ak [kp.m/cm2] M (Nm) k mm Cạnh mối hàn Ih (A) Cường độ dòng điện hàn Uh (V) Điện áp hàn Vh (mm/p) Tốc độ/ vận tốc hàn qđ (cal/s) Năng lượng đường Độ dai va đập Mômen _8_ HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống đồ gá sản xuất kết cấu thép 15 Hình 1.2 Đồ gá chuyên dùng robot hàn 16 Hình 1.3 Đồ gá tự động ngành cơng nghiệp tơ 19 Hình 1.4 Đồ gá tự động sản xuất hàn 20 Hình 2.1 Dầm sử dụng ngành cầu đường 25 Hình 2.2 Các loại dầm có biên độ khơng đổi thực tế sản xuất 26 Hình 2.3 Một loại dầm có biên dạng thay đổi thực tế sản xuất 26 Hình 2.4 Dầm hàn tổ hợp chữ I 26 Hình 2.5 Ảnh hưởng góc vát tới liên kết hàn 27 Hình 2.6 Các kích thước liên kết hàn chữ T 31 Hình 2.7 Phân bố nội lực tiết diện dầm hàn 32 Hình 2.8 Biểu đồ ứng suất hàn liên kết chữ T 33 Hình 2.9 Các dạng tồn trọng tâm liên kết 35 Hình 2.10 Biến dạng co dọc hàn liên kết chữ T 36 Hình 2.11 Biến dạng hàn dầm Cơng xơn 38 Hình 2.12 Ứng suất liên kết dầm chữ I 39 Hình 2.13 Hàn cặp mối hàn giáp mối biên 40 Hình 2.14 Các mối hàn thực chéo 42 Hình 2.15 Hàn đồng thời hai mối hàn phía 43 Hình 2.16 Bản vẽ chế tạo dầm hàn chữ I 44 Hình 2.17 Mơ hình tính tốn giá trị biến dạng 48 Hình 3.1 Bản vẽ chi tiết hàn 53 Hình 3.2 Dạng liên kết hàn 55 Hình 3.3 Mơ hình thiết kế sơ đồ gá hàn dầm chữ I 55 Hình 3.4 Khung đồ gá 56 Hình 3.5 Cơ cấu thay đổi vị trí dầm hàn 57 Hình 3.6 Cơ cấu chuyển động đồ gá 57 _9_ Hình 3.7 Cơ cấu định vị, kẹp chặt chống biến dạng dầm 58 Hình 3.8 Cơ cấu cụm gối đỡ 59 Hình 3.9 Hệ thống điều khiển 59 Hình 3.10 Đồ gá nhìn từ cạnh phải 60 Hình 3.11 Đồ gá nhìn từ cạnh trái 60 Hình 3.12 Đồ gá chưa phối mầu 61 Hình 3.13 Đồ gá phối mầu 61 Hình 3.14 Hệ thống điều khiển lực kẹp 63 Hình 3.15 Xây dựng mơ hình cần tính tốn 64 Hình 3.16 Chia lưới đặt tải cho mơ hình 65 Hình 3.17 Chạy chương trình tính tốn lần thứ 65 Hình 3.18 Chạy chương trình tính tốn lần 66 Hình 3.19 Xuất kết tính tốn 66 Hình 3.20 Xây dựng mơ hình kết cấu cho q trình chạy mơ hàn 67 Hình 3.21 Tạo mơ hình đầy đủ kết cấu 67 Hình 3.22 Mơ hình kết cấu sau chia lưới 68 Hình 3.23 Mơ hình kết cấu sau đặt tải điều kiện biên 68 Hình 3.24 Đặt điều kiện gá kẹp hàn 69 Hình 3.25 Trường nhiệt độ chạy chương trình bước 69 Hình 3.26 Trường nhiệt độ chạy bước 70 Hình 3.27 Xuất kết mơ 71 Hình 3.28 Piston sử dụng đồ gá 72 Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển đồ gá 74 Hình 3.30 Mosfet 75 Hình 3.31 Dùng Mosfet kênh N điều khiển motor DC 76 Hình 3.32 Mạch cầu dùng Mosfet 77 Hình 3.33 Bo mạch điều khiển đồ gá 78 Hình 3.34 Đồ gá vị trí Set (cân bằng) 79 Hình 3.35 Đồ gá thực mối hàn số 79 _10_ Hình 3.36 Đồ gá thực mối hàn số 80 Hình 3.37 Đồ gá thực mối hàn số 80 Hình 3.38 Đồ gá thực mối hàn số 81 Hình 3.39 Sự biến thiên nhiệt độ toạ độ (0,0,300) 122 Hình 3.40 Sự biến thiên nhiệt độ toạ độ (0,0,1500) 122 Hình 3.41 Sự biến thiên nhiệt độ toạ độ (0,0,2000) 123 Hình 3.42 Sự biến thiên nhiệt độ toạ độ (0,0,3000) 123 Hình 3.43 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,1500) 124 Hình 3.44 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,50) 124 Hình 3.45 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,550) 125 Hình 3.46 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,2000) 125 Hình 3.47 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,3500) 126 _11_ { phantram_PWM=1; } } return (phantram_PWM); } /* Ham dieu khien giam toc*/ unsigned char giamtoc(void) { if(giam==0) { while(giam==0) {;} phantram_PWM++; delay(100); if(phantram_PWM>20) phantram_PWM=20; } return (phantram_PWM); } /* Lua chon che cua dong co*/ unsigned char n; unsigned char chonchedo(void) { if(stop==0) n=1; if(thuan==0) n=2; if(nghich==0) n=3; switch(n) _115_ { case 0: {break;} case 1: {stopdc();break;} case 2: {quaythuan();break;} case 3: {quaynghich();break;} } return (n); } /* Chuong trinh chinh*/ void main() { khoitaohethong(); while(1) { tangtoc(); giamtoc(); chonchedo(); hienthi((20-phantram_PWM)/10,(20phantram_PWM)%10); } } _116_ PHỤ LỤC ***** INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE ***** ***** Bảng liệt kê kết file liệu tính tốn mo ***** C/Programfile/ Mo phong dam han chu I tiet dien deu/ Luan van Quoc Manh SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 7.5000 1 15.000 17 22.500 25 30.000 33 37.500 41 45.000 50 52.500 59 60.000 67 67.500 75 10 75.000 10 83 11 82.500 11 91 12 90.000 12 98 13 97.500 13 106 14 105.00 14 113 15 112.50 15 120 16 120.00 16 130 17 127.50 17 138 18 135.00 18 146 19 142.50 19 154 20 150.00 20 161 21 157.50 21 22 165.00 22 1 _117_ 167 175 23 172.50 23 183 24 180.00 24 189 25 187.50 25 197 26 195.00 26 205 27 202.50 27 213 28 210.00 28 220 29 217.50 29 228 30 225.00 30 236 31 232.50 31 243 32 240.00 32 250 33 247.50 33 257 34 255.00 34 264 35 262.50 35 271 36 270.00 36 279 37 277.50 37 286 38 285.00 38 293 39 292.50 39 300 40 300.00 40 306 41 307.50 41 313 42 315.00 42 320 43 322.50 43 327 44 330.00 44 334 45 337.50 45 341 46 345.00 46 349 47 352.50 47 356 48 360.00 48 363 49 367.50 49 369 50 375.00 50 375 51 382.50 51 382 _118_ 52 390.00 52 389 53 397.50 53 397 54 405.00 54 404 55 412.50 55 411 56 420.00 56 417 57 427.50 57 425 58 435.00 58 432 59 442.50 59 438 60 450.00 60 446 61 457.50 61 453 62 465.00 62 461 63 472.50 63 468 64 480.00 64 476 65 487.50 65 484 66 495.00 66 491 67 502.50 67 498 68 510.00 68 505 69 517.50 69 512 70 525.00 70 519 71 532.50 71 525 72 540.00 72 532 73 547.50 73 539 74 555.00 74 546 75 562.50 75 552 76 570.00 76 559 77 577.50 77 566 78 585.00 78 572 79 592.50 79 580 80 600.00 80 587 _119_ 81 607.50 81 595 82 615.00 82 602 83 622.50 83 609 84 630.00 84 616 85 637.50 85 623 86 645.00 86 630 87 652.50 87 637 88 660.00 88 644 89 667.50 89 651 90 675.00 90 659 91 682.50 91 665 92 690.00 92 672 93 697.50 93 679 94 705.00 94 685 95 712.50 95 692 96 720.00 96 699 97 727.50 97 706 98 735.00 98 713 99 742.50 99 720 100 750.00 100 728 101 757.50 101 735 102 765.00 102 742 103 772.50 103 748 104 780.00 104 754 105 787.50 105 760 106 795.00 106 767 107 802.50 107 774 108 810.00 108 781 109 817.50 109 788 _120_ 110 825.00 110 794 111 832.50 111 801 112 840.00 112 808 113 847.50 113 814 114 855.00 114 821 115 862.50 115 828 116 877.50 116 835 _121_ PHỤ LỤC ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ BIẾN THIÊN NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG KHI HÀN Hình 3.39 Sự biến thiên nhiệt độ toạ độ (0,0,300) Hình 3.40 Sự biến thiên nhiệt độ toạ độ (0,0,1500) _122_ Hình 3.41 Sự biến thiên nhiệt độ toạ độ (0,0,2000) Hình 3.42 Sự biến thiên nhiệt độ toạ độ (0,0,3000) _123_ - Đồ thị biểu diễn ứng suất: Hình 3.43 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,50) Hình 3.44 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,550) _124_ Hình 3.45 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,2000) Hình 3.46 Ứng suất theo phương y toạ độ (0,0,3500) _125_ TÓM TĂT LUẬN VĂN Nội dung luận văn trình bày chương với nội dung sau đây: Phần mở đầu: Đã nêu bật lên lý chọn lựa đề tài, lịch sử nghiên cứu, xác định nôi dung nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu, luận điểm đóng góp tác giả phương pháp nghiên cứu Chương 1: Khái quát loại đồ gá hàn đượ sử dụng nước giới nói chung Việt Nam nói riêng Đặc điểm cơng nghệ tính ưu việt chúng sản xuất Từ phân tích tìm nội dung nghiên cứu phù hợp với khuôn khổ luận văn thạc sĩ Chương 2: Tổng quan ứng suất biến dạng hàn, phân tích đưa phương án thiết kế đồ gá hàn Chương 3: Tính toán, thiết kế đồ gá hàn theo yêu cầu nội dung luận văn Mô trình tính tốn lực, q trình hàn dầm chữ I phần mềm Ansys Thiết kế hệ thống điều khiển lực kẹp, tính tốn lực kẹp đồ gá cần sử dụng viết chương trình bán tự động cho đồ gá thiết kế Kết luận: Là phần kết luận chung nêu vấn đề mà luận văn chưa làm so với yêu cầu, đề cập lại phạm vi nghiên cứu luận văn từ đưa hương nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất ABSTRACT Thesis title: “Researching and designing the welding jigs for I – Shaped metallic beam to reduce stress and deformation after welding” The author: Nguyen Quoc Manh Course: 2008 – 2010 Supervisor: Assoc Dr Nguyen Thuc Ha a Rationale Welding jigs not only used to determine and clamp the machine parts during welding process but also help to reduce stress and deformation after welding It also helps to make the structures be used longer Welding jigs are varied depending on the production scale and application of different welding methods so that single jigs (for small production) or special-use jigs (for mass production) can be used The quality of metallic beam combination usually depends much on welding systems Nowadays, there are many modern welding factories in production enterprises The enterprises have no difficulty in welding source but they have some problems with welding jigs because welding jigs are very complicated, they depend on many things such as: welding equipments, complex welding parts, easily using and adapting to changes in product design Welding jigs play an important role in production now These reasons have aroused my interest and encouraged me to carry out this study: “Researching and designing the welding jigs for I – Shaped metallic beam to reduce stress and deformation after welding” b Aims, object and scope of the study + Aims of the study: Researching technological factors to design IShaped metallic beam in actual production reasonable designing methods for jigs that helps the author select Surveying the quality of I-shaped metallic beam products in the enterprises which produce engineering structures Recommending the reasonable designing methods for jigs which are suitable to actual condition of the enterprises, flexible to use and economical to produce + Object of the study The quality of I – shaped metalic beam products The effects of technological factors to the quality of producing I- shaped metallic beam Jigs for I – shaped metallic beam in actual production + Scope of the study Based on the survey in the enterprises which produce steel structures and mechanical equipment, the author analysed and evaluated to find out the methods to design jigs for I-shaped metallic beam that are suitable to actual condition c Design of the study Apart from the introduction and conclusion, the thesis consists of chapters The introduction, provides an overview of the study with specific reference to the rationale, the aim, the research questions, the methods, the significance and the scope of the study Chapter one aims at presenting the overview of the jigs which are used in welding and their technological characteristics It also provides the reasons why the author conducts this study Chapter two, the study, gives various stress and deformation when welding I – shaped metallic beam This chapter also provides the methods to design jigs Chapter three presents the calculation and design of welding jigs Shows the design of control systems for jigs The conclusion restates the main points discussed in the study and gives some suggestions for further study d Methodology Researching literature review related to the study Surveying in the enterprises and analysing the data Designing jigs to reduce stress and deformation after welding Simulating clamping force calculation and welding process e Summary The most important thing to most of the enterprises is how to design and produce jigs which are suitable to current welding equipment and complex welding parts, easy to use, able to adapt to changes in product design The use of special-use software to calculate and examine the durability of the structures before designing jigs and producing products is very suitable that will reduce maximum unnecessary costs during manufacturing process ... đề nghiên cứu 15 1.1 Tổng quan lo? ?i đồ gá hàn 15 1.2 Đặc ? ?i? ??m cơng nghệ, tính chất làm việc lo? ?i đồ gá hàn 20 1.3 Tính cấp thiết việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo đồ gá hàn để giảm ứng suất biến. .. 2.4.1 Ứng suất biến dạng liên kết hàn chữ T 31 2.4.2 Ứng suất biến dạng co dọc dầm hàn chữ I 38 2.4.3 Ví dụ tính tốn ứng suất biến dạng dầm 44 3.4.4 Tính tốn giá trị biến dạng góc sau hàn 47 Kết... l? ?i t? ?i ưu thích ứng v? ?i thay đ? ?i mẫu mã sản phẩm Xuất phát từ tính cấp thiết yêu cầu nêu trên, tác giả tiến hành chọn đề t? ?i: ? ?Nghiên cứu thiết kế đồ gá hàn nhằm giảm ứng suất biến dạng hàn dầm