2.5.1. Trong nước
Công nghệ hàn ma sát khuấy ở Việt Nam vẫn còn đang khá mới, đặc biệt tại các trung tâm nghiên cứu cũng như các trường đại học, cao đẳng, phương pháp này mới chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái niệm.Mặc dù đã có một số các nghiên cứu nhỏ, chủ yếu dưới dạng các bài báo cáo nhưng chưa được biệt đến rộng rãi. Đặc biệt, tại Việt Nam hầu như chưa có một cơ sở nào đưa phương pháp này vào sản xuất
- Chưa tìm thấy công bố nghiên cứu về chế tạo máy hàn ma sát khuấy chuyên dùng.
- Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực còn khá mới mẻ. Sau đây là một vài nghiên cứu về hàn ma sát khuấy ở trong nước:
- Nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối nhôm A1100 của TS. Vũ Văn Ba Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Nam Định.[11]
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến đô bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075 của Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa trên Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản.[12]
- Ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy cho các kết cấu dạng tấm bằng hợp kim nhôm biến dạng của TS. Lưu Hữu Phước - Đại học Bách Khoa TP.HCM.
- Mô hình nhiệt, mô phỏng và thực nghiệm xác định miền thông số công nghệ trong hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm của PGS. TS. Đào Hồng Bách.
- Nghiên cứu các thông số đầu ra lực cắt trong mối hàn ma sát khuấy có gia nhiệt trước của PGS. TS. Trần Thiên Phúc.
Qua các tài liệu đã công bố trên ta thấy việc nghiên cứu về hàn ma sát khuấy ở nước ta hiện nay chu yếu là tìm hiểu và chủ yếu là nghiên cứu về hàn ma sát khuấy mối hàn giáp mí nhôm - nhôm. Chủ yếu là xác định các thông số công nghệ khi hàn ảnh hưởng đến quá trình hàn ghép hai tấm nhôm. Các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy hàn ma sát khuấy chưa được đề cập, công việc thực nghiệm hàn ma sát khuấy chủ yếu được thực hiện trên máy phay.
2.5.2. Ngoài nước:
Viện hàn (TWI) tại Anh đã có nhiều năm thực hiện nhiều loại nghiên cứu, phát triển với các hoạt động của công nghệ của hàn ma sát khuấy. Hiện nay Viện hàn đã cấp giấy phép cho hơn 200 công ty hoạt động trong lĩnh vực công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy. Sau đây là một vài nghiên cứu về hàn ma sát khuấy ở ngoài nước:
- Rajiv S. Mishra, “Center for Friction Stir Processing”, University of MissouriRolla Murray W. Mahoney, Rockwell Scientific Company, 2007.
- Bharat Raj Singh, “Force book Friction Stir Welding”, India, 2008.
- H. J. H. a. J. W. Schmidt, "An analytical model for the heat generation in friction stir welding," Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, vol 12, no. 1, p. 143, 2004.
- Russell M J and Shercliff H R 1st Int. “Symp on Friction Stir Welding” (Thousand Oaks, California, USA), 1999.
- A.J. Leonard and S.A. Lockyer, “Flaws in Friction Stir Welds, Proceedings of the Fourth International Conference on Friction Stir Welding” (Park City, UT), May 14– 16, 2003.
- T.S. Mahmoud, Fouad H Mahmoud, T.A. Khalifa; “Friction Stir Welding of dissimilar A319 & A356 aluminium cast alloys” ; June 2010.
- J.A. Querin, H.A. Rubisoff, J.A. Schneider; “Pin Tool Geometry Effects in Friction Stir Welding”.
- Rajiv Sharan Mishra, Partha Sarathi De Nilesh Kumar; “Friction Stir Welding and Processing - Science and Engineering” (Springer, 3319070428, 2014).
- T.J. Lienert, W.L. Stellwag, Jr., B.B. Grimmett, and R.W. Warke, Friction Stir Welding Studies on Mild Steel, Weld. J., Jan 2003.
Các nghiên cứu từ các tài liệu trên cho thấy, hàn ma sát khuấy được nghiên cứu 19
khá rộng và sâu. Các nghiên cứu đa số cũng được thực nghiệm trên máy phay. Mặc dù hiện nay trên thị trường cũng có một số máy hàn ma sát khuấy chuyên dùng nhưng các thông tin liên quan về kết cấu, thiết kế chi tiết không được công bố.
2.6. Định lượng các công việc nghiên cứu
- Xác định nguyên lý;
- Đề xuất kết cấu máy hàn có thể hàn đường thẳng;
- Thiết kế chi tiết;
- Chế tạo phần cơ khí;
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY
3.1. Xác định nguyên lý
Từ các nguyên lý hàn ma sát khuấy cùng các thiết bị hàn ma sát khuấy khảo sát
ở chương 2, nguyên lý máy hàn ma sát khuấy phát triển được đề xuất như ở hình 3.1.
Hình 3.1: Mô tả nguyên lý hàn ma sát khuấy
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.