Trong đó:
1. Dụng cụ hàn được gắn vào đầu kẹp nhận chuyển động xoay từ bộ truyền động
(đai, hộp số);
2. Chuyển động ngang được thực hiện bởi chuyển động của bàn máy;
3. Đầu xoay tạo ra nhiệt và gắn kết kim loại vào với nhau.
4. Ma sát làm mềm kim loại dọc theo đường hàn, đưa chúng vào tình trạng mềm nhão mà không tan chảy.
3.2. Phương án kết cấu
Phương án kết cấu được xây dựng dưới sự hỗ trợ của phần mềm Solidworks và Inventor đảm bảo được yêu cầu trong quá trình hoạt động.
3.2.1. Yêu cầu
- Đầu mang dụng cụ khuấy phải đảm bảo độ cứng vững và nâng đỡ phận tạo chuyển động quay trong quá trình hoạt động.
- Chống rung tốt.
- Chống nhiễu cho các thiết bị điện tử, đảm bảo vận hành tốt trong môi trường công nghiệp.
3.2.2. Phương án 1
Thiết kế phần thân trên lắp đặt trên thân máy tiện có sẵn của máy tiện CNC Hitachi Serki 3NE300.
Ưu điểm:
- Sử dụng khung máy sẵn có chắc chắn, hạn chế rung động trong quá trình vận hành máy;
- Băng trượt máy tiện chính xác và được thiết kế theo tiêu chuẩn tạo cơ sở để thiết kế bàn máy của máy hàn ma sát.
- Khung máy là khung máy tiện không có phần thân trên nên phải thiết kế phần thân trên (mang đầu dao) mới;
- Bị hạn chế bởi kích thước sẵn có của thân máy.
Hình 3.1: Thân máy tiện CNC Hitachi Serki 3NE300
3.2.3. Phương án 2
Thiết kế mới cả phần thân dưới và phần thân trên sử dụng thép hộp.
Hình 3.2: Khung bệ máy được hàn từ thép hộp
Ưu điểm:
- Khung thân được chế tạo mới hoàn toàn nên kích thước có thể chủ động dựa và dễ bố trí các thành phần khác của máy trên thân;
- Linh hoạt trong việc gá đặt các chi tiết, động cơ truyền động công suất lớn. Nhược điểm:
- Quá trình gia công khung phức tạp, khó đảm bảo độ chính xác, độ vuông góc của các thanh thép hộp do phương pháp chế tạo chủ yếu là hàn hồ quang;
- Quá trình vận hành với tốc độ cao có thể gây rung động mạnh;
3.2.4. Lực chọn phương án
Bảng 3.1: Bảng so sánh các phương án chế tạo thân máy
STT Tiêu chí so sánh
1 Chi phí
2 Kích thước
3 Gia công chế tạo
5 Độ cứng vững
6 Khả năng lắp ráp các chi tiết
Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương án 1: sử dụng thân máy có sẵn để có độ chính xác cao và hạn chế chi phí chế tạo thân máy bằng khung hàn.
3.3. Phương án thiết kế thân đỡ đầu máy
Thiết kế kết cấu dưới sự hỗ trợ của phần mềm Solidworks. Kết cấu cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Yêu cầu:
- Đảm bảo độ cứng vững nâng đỡ cả hệ thống trong quá trình hoạt động.
- Chống rung, an toàn cho người sử dụng.
- Không gian đủ để lắp các thiết bị cần thiết.
- Chống nhiễu cho các thiết bị điện tử, đảm bảo vận hành tốt trong môi trường công nghiệp.
3.3.1. Phương án 1 – Thép tấm
Khung thân đầu máy được chế tạo trên cơ sở khung xương bằng thép hộp và phủ ngoài băng tấm thép.
Ưu điểm:
- Khung xương đơn giản, dễ chế tạo;
- Dễ đảm bảo các kích thước tương quan, vị trí tương quan vì khối lượng hàn ít, các tấm thép dễ chế tạo có độ chính xác cao.
Nhược điểm:
- Khả năng chống rung thấp;
- Quá trình lắp ráp các chi tiết bên trong khá khó khăn;
- Chi phí vật liệu tốn kém.
Hình 3.3: Khung đỡ đầu máy bằng thép tấm 3.3.2. Phương án 2
Khung thân đầu máy được chế tạo trên cơ sở thanh thép hộp không phủ ngoài. Ưu điểm:
- Độ cứng vững cao;
- Việc lắp ráp các chi tiết bên trong dễ dàng;
- Chi phí thấp.
- Do chế tạo bằng phương pháp hàn và số lượng điểm hàn, đường hàn nhiều nên khó đảm bảo độ chính xác kích thước và vị trí tương quan;
Hình 3.4: Khung đỡ đầu máy hàn bằng thép hộp 50x50x6mm
3.3.3. Lực chọn phương án
Bảng 3.2. Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính
STT Tiêu chí so sánh
1 Chi phí 2 Kích thước 3 Gia công chế tạo 5 Độ cứng vững 6 Khả năng lắp ráp
các chi tiết
Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương án sử dụng thép hộp làm thân đỡ đầu máy có chi phí thấp và độ cứng vững cao. Kích thước và vị trí tương quan có thể khắc phục và nâng cao băng các giải pháp gia công cắt gọt.
3.4. Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme dọc:3.4.1. Phương án 1 3.4.1. Phương án 1
Vị trí đặt cụm động cơ servo ở bên trong thân máy. Ưu điểm:
+ Không chiếm không gian bên ngoài. Nhược điểm:
+ Khi có hư hỏng thì sẽ khó sữa chữa;
+ Khó lắp đặt hệ thống.
Hình 3.5. Cụm động cơ servo dọc được lắp bên trong thân máy
3.4.2. Phương án 2
Vị trí đặt cụm động cơ servo bên ngoài thân máy. Ưu điểm:
+ Dễ lắp đặt, và sữa chữa khi có hư hỏng. Nhược điểm:
Hình 3.6: Cụm động cơ servo dọc được lắp bên ngoài thân máy
3.4.3. Lựa chọn phương án
Bảng 3.3: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính
STT Tiêu chí so sánh
1 Chi phí
2 Kích thước
3 Gia công chế tạo
5 Độ cứng vững
6 Khả năng lắp ráp các
chi tiết
Lựa chọn phương án:
Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương án vị trí vitme ngoài thân máy là hợp lí vì dễ lắp đặt và dễ sửa chữa khi hư hỏng.
3.5. Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme ngang3.5.1. Phương án 1 3.5.1. Phương án 1
Dùng hộp số thẳng. Ưu điểm:
+ Dễ mua trên thị trường;
+ Giá thành thấp. Nhược điểm:
+ Chiếm không gian máy.
Hình 3.7: Cụm động cơ servo ngang được lắp dùng hộp số thẳng
3.5.2. Phương án 2
Dùng hộp số vuông góc. Ưu điểm:
+ Thiết kế gọn gàng.
+ Không chiếm không gian máy. Nhược điểm:
+ Giá thành cao.
Hình 3.8. Cụm động cơ servo ngang được lắp dùng hộp số vuông góc
3.5.3. Lựa chọn phương án
Bảng 3.4: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính
STT Tiêu chí so sánh 1 Chi phí 2 Độ cứng vững 3 Khả năng lắp ráp các chi tiết Lựa chọn phương án:
Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy phương án dùng hộp số thẳng là tối ưu vì giá thành rẻ và dễ lắp đặt.
3.6. Phương án thiết kế truyền động từ động cơ sang đầu máy3.6.1. Phương án 1 3.6.1. Phương án 1
Lắp đặt đai theo chiều dọc. Ưu điểm:
+ Dễ căng đai
+ Dễ lắp đặt động cơ
+ Thiết kế gọn gàng Nhược điểm:
+ Khó thay thế đai khi bị đứt
Hình 3.9: Đầu máy và động cơ được truyền động bằng đai lắp theo chiều dọc 3.6.2. Phương án 2:
Lắp đặt đai theo chiều ngang
Ưu điểm:
Nhược điểm:
+ Căng đai khó khăn;
+ Tải trọng lên khung máy quá lớn
Hình 3.10: Đầu máy và động cơ được truyền động bằng đai lắp theo chiều ngang
3.6.3. Lựa chọn phương ánBảng 3.5: Bảng so sánh các phương án lắp đặt đai Bảng 3.5: Bảng so sánh các phương án lắp đặt đai STT Tiêu chí so sánh 1 Chi phí 2 Không gian 4 Độ cứng vững 5 Khả năng lắp ráp các chi tiết Lựa chọn phương án:
Từ thực tế và phân tích đánh giá ưu nhược điểm các phương án nhận thấy
phương án lắp đai theo phương dọc là hợp lí vì dễ lắp đặt và dễ sửa chữa khi hư hỏng.
3.7. Phương án điều khiển tốc độ động cơ3.7.1. Phương án 1 3.7.1. Phương án 1
Thay đổi kích thước puley của trục chính để thay đổi tốc độ.
Nguyên lý hoạt động:
Dựa vào tỷ số truyền của hệ thống truyền động bằng đai, ta thay đổi kích thước puley của trục chính nhằm thay đổi tốc độ truyền từ động cơ theo công thức tính tỷ số truyền
u =
Với d1 là đường kính puley gắn với động cơ, d2 là đường kính puley của trục chính.
Ưu điểm:
+ Phương án đơn giản.
+ Chi phí vừa phải. Nhược điểm:
+ Mất thời gian và công sức thay puley.
+ Tốc độ không ổn định.
+ Thiết kế phức tạp.
3.7.2. Phương án 2
Dùng biến tần để thay đổi tần số của động cơ, từ đó thay đổi tốc độ của động cơ quay.
Ưu điểm:
+ Tính công nghệ và tự động hóa cao.
+ Thiết kế đẹp, dễ sử dụng.
+ Thay đổi được nhiều tốc độ khác nhau. Nhược điểm:
+ Giá thành cao.
Hình 3.11: Biến tần Mitsubishi Bảng 3.6: Bảng so sánh hệ thống thay đổi tốc độ trục chính STT Tiêu chí so sánh 1 Giá thành 2 Tính công nghệ 3 Lắp đặt 4 Thay đổi tốc độ 5 Tính thẩm mỹ
Lựa chọn phương án: Phương án 2 dùng biến tần điều khiển.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ
4.1. Xác định lực hàn
Dựa trên kết quả các thí nghiệm:
- Modelling of friction stir welding for robotic implementation[25] tại Phòng thí nghiệm hàn tự động của trường đại học Vanderbilt và phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos do Reginald Crawford, George E. Cook và Alvin M.
Strauss thực hiện.
- Experimental Measurements of Load Distributions on Friction Stir[26] Weld Pin Tools của sinh viên Aaron Stahl thuộc trường Đại học Bringham
Young.
Ta có các thông số về quá trình hàn ma sát như sau: Vật liệu hàn:
- Hợp him nhôm 6061-T6 (97,9% Al; 0,60% Si; 0,30% Cu; 1.0% Mg và 0,20% Cr) (tiêu chuẩn ANSI).
- Kích thước 76,2 x 50,8 x 6,35 (mm). Dụng cụ:
- Vật liệu: thép dụng đã qua nhiệt luyện H13 (tiêu chuẩn AISI).
- Cấu tạo đầu khuấy: trụ trơn, không ren.
- Đường kính đầu khuấy: 4,826mm (0,19in).
- Chiều dài của đầu khuấy: 3,62mm (0,1425in).
- Chiều sâu ngấu không đổi: 3,683mm (0,145in).
- Chiều sâu vai ngấu không đổi: 0,1016mm (0,004in).
- Vai dụng cụ có đường kính: 12,7mm (0,5in), chiều cao: 6,35mm (0,25in).
Vận tốc hàn:
- Vận tốc hàn: 1500 vg/ph.
- Tốc độ di chuyển: 0,0114 m/s (27 ipm)
Từ các thông số trên và kết quả tính toán, thí nghiệm được công bố ta có các lực thành phần tác động lên ổ gá đầu hàn ma sát khuấy:
- Fz= 9000 N
- Fx= 4000 N
- Mz= 80000 N.mm
4.2. Truyền động trục Y
Sơ đồ cho truyền động trục Y:
Hình 4.5: Sơ đồ truyền động trục Y
4.2.1. Tính toán bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo (hoặc nén)4.2.1.1. Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của vít me 4.2.1.1. Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của vít me
Trong đó : - d1 là đường kính trong của vít me (mm)
- Fa là lực dọc trục: Fa = Fx+mbàn máy trên= 4000 + 2500 = 7500 N
Trục vít me ở đây được làm từ
s
thép 45, có
là giới hạn chảy của vật liệu làm vít.
s
Thay các giá trị vào ta được giá trị của d1 =
(mm). Chọn d1 = 28 (mm) 4.1,3.F p .ë s 4.1,3.7500 p .120 = 10,17
4.2.1.2. Chọn các thông số khác của bộ truyền
Đường kính bi: db= (0.08÷0.15) d1=0,1.28 = 2,8 (mm) Chọn db = 3,175 (mm)
Bước vít: p = db + (1÷5) =3,175+2 =5,175 (mm) Chọn p = 6 (mm) Bán kính rãnh lăn : r1 =( 0,51÷0,53) db = 0,51.3,175 = 1,62 (mm) Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi:
c =æç r -
è
d = ç1,62-æ
è = 0,02 (mm)
Trong đó :b là góc tiếp xúc, nên chọn khe hở hướng tâm sao chob =45o như thế độ cứng dọc và khả năng tải của vít tăng.
Đường kính vòng tròn qua các tâm bi: Dtb = d1+ 2.(r1-c) = 31,2 (mm) Đường kính trong của ren đai ốc:
D1 = Dtb + 2(r1-c) = 34,4 (mm) Chiều cao làm việc của ren:
h1 = (0.3÷0.35) db= 0,32.3,175 = 1,01 (mm) Chọn h1 = 1 (mm) Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D:
d = d1+ 2.h1= 25 (mm) D =D1- 2.h1=27,4 (mm) Góc nâng vít γ :
γ = arctg(
Số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc không nên quá 2- 2,5 vòng, nếu không sẽ làm tăng sự phân bố không đồng đều tải trọng cho các vòng ren. Số bi trong các vòng ren làm việc:
Zb= π.D
d
70 (viên)
Với K: số vòng ren làm việc là K= 2,3. Chọn Zb= 70
Nếu số bi lớn hơn 65 thì nên giảm bớt bằng cách tăng đường kính bi.
Số bi không tham gia truyền lực phụ thuộc vào kết cấu và chiều dài của rãnh hồi bi. Khe hở tổng cộng giữa các viên bi nên lấy bằng (0,7 …1,2)db
Khe hở hướng tâm:
Δ = D- (2d
1 Trong trường hợp không quy định khe hở hướng tâm trong điều kiện kỹ thuật thì nên chọn: D= 0,03...0,12mm
Khe hở tương đối:
c =
Góc ma sát lăn thay thế :
j = arctg(
1 Trong đó:
Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:
η=
Mômen quay đai ốc: 38 T=F .D a 4.2.1.3. Kiểm nghiệm bền Tải trọng riêng dọc trục: q a
Với λ = 0,8 – hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi. Từ c = 0,0022 và qa= 14 từ đồ thị ta xác định được σmax = 3500 MPa
Hình 4.6. Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất s
max
Yêu cầu : Đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt
σmax
53
4.2.2. Chọn động cơ trục Y
Công suất công tác thực hiện chuyển động:
P =
lv
Hiệu suất tổng quát của bộ truyền:
Với hiệu suất của ổ lăn:
Công suất làm việc của động cơ:
η ol = 1 0,98 39 P = ct 0,38 0,97 0, 39( kW ) (2.8) [1]
Ta sử dụng động cơ AC servo để truyền chuyển động cho trục Y. Dựa theo catalog của nhà sản xuất Misubishi Electric. Ta chọn động cơ kí hiệu: HC-MFS43K- S18, công suất:400 W, nguồn vào: 3AC 122V có gắn hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1/15.
4.3. Truyền động trục X
- Sơ đồ cho truyền động trục X:
Hình 4.8 Sơ đồ truyền động trục X
Khối lượng bàn máy: mbàn máy = 500 Kg Fa=Fx+Nbàn máy = 4000+5000= 9000 N
4.3.1. Tính toán bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo/nén4.3.1.1. Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của vít me 4.3.1.1. Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của vít me
Theo điều kiện bền ta có : d1 ≥ 4.1,3.F
é
p .ë s
(8.19) [1]
Trong đó :
- d1 là đường kính trong của vít me (mm)
- Fa là lực dọc trục é s - ë Trục vít me ở đây được làm từ thép 45, có (MPa) [ s = 120
Thay các giá trị vào ta được giá trị của d1
(mm).
Chọn d1 = 28 (mm)
4.3.1.2. Chọn các thông số khác của bộ truyền
4.1,3.9000
- Đường kính bi: db= (0.08÷0.15) d1=0,1.28 = 2,8 (mm) Chọn db = 3,175 (mm)
- Bước vít: p = db + (1÷5) =3,175+2 =5,175 (mm) Chọn p = 6 (mm)
- Bán kính rãnh lăn : r1 =( 0,51÷0,53) db= 0,51.3,175 = 1,62 (mm)
- Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi:
c =æç r - è
d = ç1,62-æ
è = 0,02 (mm)
Trong đó :b là góc tiếp xúc, nên chọn khe hở hướng tâm sao chob =45o như thế độ cứng dọc và khả năng tải của vít tăng.
- Đường kính vòng tròn qua các tâm bi: Dtb=d1+ 2.(r1-c) = 31,2 (mm)
- Đường kính trong của ren đai ốc: D1= Dtb + 2(r1-c) = 34,4 (mm)
- Chiều cao làm việc của ren:
h1= (0.3÷0.35) db= 0,32.3,175 = 1,01 (mm) Chọn h1= 1 (mm)
- Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D: d= d1+ 2.h1 = 25 (mm)
D =D1- 2.h1 =27,4 (mm)
- Góc nâng vít γ :
γ = arctg(
- Số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc không nên quá 2- 2,5 vòng, nếu không sẽ làm tăng sự phân bố không đồng đều tải trọng cho các vòng ren.