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.
Nhược điểm:
- Khung máy là khung máy tiện khơng 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
Hình 3.2: Khung bệ máy được hàn từ thép hộp
Ưu điểm:
- Khung thân được chế tạo mới hồn tồn 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 cơng khung phức tạp, khó đảm bảo độ chính xác, độ vng góc của các thanh thép hộp do phương pháp chế tạo chủ yếu là hàn hồ quang;
- Q trình vận hành với tốc độ cao có thể gây rung động mạnh; - Chi phí vật liệu, gia cơng cao.
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 Sử dụng thân máy tiện sẵn có
Chế tạo mới thân máy
1 Chi phí Khơng Cao
2 Kích thước Hạn chế Điều chỉnh được
3 Gia công chế tạo Đơn giản Phức tạp
5 Độ cứng vững Rất cao Cao
6 Khả năng lắp ráp các chi tiết
Dễ thực hiện Dễ thực hiện
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.
- 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 khơng phủ ngồi. Ưu điểm:
- Độ cứng vững cao;
- Việc lắp ráp các chi tiết bên trong dễ dàng; - Chi phí thấp.
Nhược điểm:
- 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 Sử dụng tấm thép Sử dụng thép hộp
1 Chi phí Chi phí cao Chi phí thấp
2 Kích thước Điều chính xác cao Độ chính xác thấp
3 Gia công chế tạo Dễ dàng Phức tạp
5 Độ cứng vững Thấp Cao
6 Khả năng lắp ráp các chi tiết
Dễ thực hiện Dễ thực hiện
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 khơng gian bên ngồi. 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
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 ngồi thân máy là hợp lí vì dễ lắp đặt và dễ sửa chữa khi hư hỏng.
STT Tiêu chí so sánh Vị trí trong thân máy Vị trí ngồi thân máy
1 Chi phí Có Có (chi phí thấp)
2 Kích thước Điều chỉnh được Điều chỉnh được
3 Gia công chế tạo Phức tạp Dễ thục hiện
5 Độ cứng vững Cao Cao
6 Khả năng lắp ráp các chi tiết
3.5. Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme ngang 3.5.1. 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 khơng 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 vng 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 vng góc
3.5.3. Lựa chọn phương án
Bảng 3.4: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính
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.
STT Tiêu chí so sánh Hộp số thẳng Hộp số vng góc
1 Chi phí Có (chi phí thấp) Có (chi phí cao)
2 Độ cứng vững Cao Cao
3 Khả năng lắp ráp các chi tiết
3.6. Phương án thiết kế truyền động từ động cơ sang đầu máy 3.6.1. 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:
+ Thiết kế gọn gàng; + Mang tính thẩm mỹ cao.
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 án
Bảng 3.5: Bảng so sánh các phương án lắp đặt đai
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.
STT Tiêu chí so sánh Lắp theo phương dọc Lắp theo phương ngang
1 Chi phí Có Có
2 Khơng gian Chiếm ít khơng gian Chiếm nhiều không gian
4 Độ cứng vững Cao Cao
5 Khả năng lắp ráp các chi tiết
3.7. Phương án điều khiển tốc độ động cơ 3.7.1. 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 cơng thức tính tỷ số truyền 1 2 d u d =
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 cơng 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. + Điều khiển phức tạp.
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 Thay đổi đường kính puley Sử dụng biến tần
1 Giá thành Trung bình Đắt
2 Tính cơng nghệ Thấp Cao
3 Lắp đặt Khó Dễ
4 Thay đổi tốc độ Không linh hoạt Linh hoạt
5 Tính thẩm mỹ Thấp Cao
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 Phịng
thí nghiệm hàn tự động của trường đại học Vanderbilt và phịng 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 thơng 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, khơng 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 tốn, thí nghiệm được cơng 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 tốn 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
Theo điều kiện bền ta có : d1 ≥ 4.1,3.Fa
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 - K = n = ch 3 s s s éë ùû é ù é ù
ë û ë û .Với σchlà giới hạn chảy của vật liệu làm vít. Trục vít me ở đây được làm từ thép 45, có éëschùûlà 360 (MPa) => [s K] = 120 (MPa) Thay các giá trị vào ta được giá trị của d1 = a
K 4.1,3.F 4.1,3.7500 .120 . p p éës ùû= = 10,17 (mm). Chọn d1 = 28 (mm)
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 = r1 db cos 2 b ỉ ư - ỗ ữ è ø = o 3,175 1,62 cos45 2 ỉ ư - ỗ ÷ è ø = 0,02 (mm)
Trong đó : b là góc tiếp xúc, nên chọn khe hở hướng tâm sao cho b =45o như thế độ cứng dọc và khả năng tải của vít tăng.
Đường kính vịng trịn 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 ngồi của vít d và của đai ốc D: d = d1+ 2.h1= 25 (mm)
D =D1- 2.h1=27,4 (mm)
γ = o tb p 6 arctg( ) arctg( ) 3,5 .D .31, 2 p = p =
Số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc khơng nên q 2- 2,5 vịng, 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= tb
b
π.D .K π.31,2.2,3
- 1 = - 1 70
d 3,175 » (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 khơng 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: 1 b 1
Δ = D - (2d +d ) = 34,4 - (2.3,175+28) = 0,05 mm
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:
1 0,05 0,0017 d 28 c = D= = Góc ma sát lăn thay thế : o t 1 o 1 2f 2.0,005 arctg( ) arctg( ) 0,03 d .sin 28.sin 45 j b = = = Trong đó: ft=0,004…0,006: Hệ số ma sát lăn. Chọn ft=0,005
Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:
1
tgγ tg3,5
η= 0,99
tg(γ+φ )= tg(3,5 0,03)+ =
Và khi biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay: 1 tg(γ-φ ) η = = tgγ tg(3,5 0,03) 1,008 tg3,5 + =
t a tb tg(γ+φ ) T=F .D . 2 = tg(3,5+0 m ,03) 7500.31,2. = 7218 2 N.m 4.2.1.3. Kiểm nghiệm bền Tải trọng riêng dọc trục: a a 2 2 b b F 7500 q 13, 2 Z d l 70.3,175 .0,8 = = =
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 σmax
max max 5000MPa
s <éës ùû= Þ Thỏa mãn độ bền
Yêu cầu : Đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt HRC³ 53
Đối với bi đạt HRC³ 63
4.2.2. Chọn động cơ trục Y
Công suất công tác thực hiện chuyển động:
lv 6 6
T.n 7218.500
P = = = 0,38(kW)
9,55.10 9,55.10
Hiệu suất tổng quát của bộ truyền: η=η .η .η =0,99.1.0,98=0,97ol kn hgt (2.9)[1] Với hiệu suất của ổ lăn: ηol= 0,99; khớp nối: ηol=1; hộp giảm tốc: ηol= 0,98 Công suất làm việc của động cơ:
lv P 0,38 0,39( ) η 0,97 = = = ct P 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, cơng suất:400 W, nguồn vào: 3AC 122V có gắn hộp giảm tốc với tỉ số truyền
1/15.