CHƯƠNG 6. TỐI ƯU HOÁ CÔNG NGHỆ HÀN
6.4. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU CHO QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG KẾT CẤU HÀN
ðể lựa chọn quá trình công nghệ cho chế tạo kết cấu hàn hợp lý nhất, cần thiết phải lập vài phương ỏn rồi xem xột cỏc mặt ủược và chưa ủược của chỳng. Tiờu chớ ủể ủỏnh giỏ cỏc phương ỏn này là khối lượng cụng việc và sự tiện lợi khi tiến hành, khả năg ỏp dụng cỏc phương phỏp hàn cơ giới hoỏ hoặc tự ủộng hoỏ, và hàng loạt cỏc yờu cầu khỏc. Tuy nhiờn như ủó ủề cập ở trờn, tiờu chớ chung ủể ủỏnh giỏ cỏc phương ỏn cụng nghệ khỏc nhau trong lắp rỏp và hàn chớnh là ủộ chớnh xỏc của kết cấu. Khả năng ỏp dụng phương pháp hàn cơ giới hoá không cần làm mép trong quá trình ráp và không cần nắn thẳng cỏc chi tiết cũng như kết cấu trong quỏ trỡnh hàn, phụ thuộc vào ủộ chớnh xỏc riờng của phôi, các chi tiết, các nút và cả kết cấu nói chung.
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 131
Nếu như tớnh tiện lợi của cỏc phương ỏn cụng nghệ chỉ cú thể ủỏnh giỏ ủược một cỏch chủ quan theo nhận ủịnh của chuyờn gia thiết kế, chuyờn gia cụng nghệ, thỡ ủộ chớnh xỏc ủạt ủược cảu kết cấu trong từng phương ỏn lại hoàn toàn cú thể nhận ủịnh ủược một cách khách quan bằng tính toán biến dạng.
Lấy ví dụ phương án công nghệ hàn thanh dầm có tiết diện cấu tạo từ thanh thép hỡnh chữ [ và một tấm tụn ủỏy phẳng (hỡnh 6.5 a) ủược gia cố thờm bằng cỏc mó. Giả sử cỏc chế ủộ hàn ủó lựa chọn cho phộp tiến hành tớnh toỏn ủộ biến dạng theo cụng thức ủơn giản hoỏ khụng tớnh ủến trạng thỏi ứng suất từ cỏc mối hàn trước ủú. Khi ủú, trong quỏ trỡnh lắp rỏp cố ủịnh cứng cỏc thành phần của mặt cắt, biến dạng tổng thể sẽ khụng phụ thuộc vào trình tự thực hiện các mối hàn.
Vỡ chiều dài chi tiết trong cỏc phương ỏn là khụng ủổi, nờn ủặc trưng của biến dạng cú thể thể hiện khụng phải bằng ủộ vừng mà bằng giỏ trị cong do mối hàn gõy nờn.
Hình 6.5. Các phương án trình tự lắp ráp và hàn thanh dầm
Giỏ trị cong của chi tiết tạo nờn do quỏ trỡnh hàn dọc trờn nú theo chế ủộ hàn ủặc trưng bằng năng lượng qd cú thể ủược mụ tả bằng cụng thức
J q z C =à d '
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 132
và do ủú, ủộ cong do cỏc mối hàn ngang – ủược mụ tả bằng cụng thức
d l J q z
C d ' m
' '=à Trong ủú:
à và à’ – hệ số phụ thuộc vào tớnh chất vật lý nhiệt của vật liệu à’ = (1ữ3) à
z’ – khoảng cỏch từ tõm mối hàn ủến ủường trọng tõm của mặt cắt (cm), trong ủú z’ ủược coi là cú giỏ trị dương, nếu trọng tõm mối hàn nằm giữa trọng tõm mặt cắt và mộp mà từ ủú làm cơ sở ủể xỏc ủịnh ủộ vừng, trong cỏc trường hợp khỏc z’ ủược coi là có giá trị âm
J – mô men quán tính mặt cắt của chi tiết (cm4) lm – chiều dài mối hàn ngang (cm)
d – khoảng cách giữa các mối hàn ngang
Nếu ủầu tiờn ta hàn mó sườn ủứng vào thanh thộp hỡnh chữ [ thỡ cỏc mối hàn ủứng ngang sẽ tạo cụng vờnh cho thanh thộp [ bằng ủộ cong:
d l J q z
C d m2
[ 2 2 2 2
' − '
=à
trong ủú:
J[ - mô men quán tính tiết diện ngang của thanh thép chữ [
Bước tiếp theo ta hàn thanh [ và mó ủứng vào tấm ủỏy sẽ tạo cong vờnh của thanh thép
− + −
=
+ d
l J q z J
q z C
C d d m3
1 3 3 3 1
1 1 3
1 ' .
' '
3 à
à
Trong ủú J1 – mụ men quỏn tớnh tiết diện cấu tạo từ thanh thộp hỡnh [ và tấm ủỏy.
ðộ cong tổng của thanh dầm sau khi thực hiện các mối hàn sẽ là:
− + − +
−
= +
+ d
l J q z d
l J q z J
q z C
C
C d d m d m3
1 3 3 3 2 [
2 2 2 1
1 1 3
2 1
' ' '
' 2 '
2 à à
à
ðộ cong tổng do 3 mối hàn tạo ra sẽ cú giỏ trị dương bởi hệ số à và à’ cú giỏ trị âm, do vậy mặt trên của thanh thép [ sẽ lồi lên.
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 133
Trong trường hợp ta hàn thanh thộp [ vào tấm ủỏy trước, rồi sau ủú hàn tiếp cỏc mó ủứng (hỡnh 6.5 b), −z'1 và z'3 sẽ cú dấu õm cũn z'2 cú dấu dương, bởi khi hàn vào tấm ủỏy, trọng tõm của mặt cắt sẽ dịch chuyển xuống phớa dưới, do ủú tõm của mối hàn ủứng thành ra nằm khỏc phớa so với ủường trọng tõm của chi tiết, kết quả là ủộ cong tổng sẽ có giá trị:
− + −
− = +
− +
=
+
−
∑ =
d z l d q
z l q z
J q d l J q z d
l J q z J
q z
C C C C
m d m
d d
m d
m d
d
3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1
3 1
3 3 3 2 [
2 2 2 1
1 1
3 2 1
' ' '
' ' 1 2
' ' '
' 2 '
2 à à à à à
à
Tức là sẽ có giá trị nhỏ hơn so với khi áp dụng trình tự lắp ráp theo hình 6.5 a) Nếu như ủầu tiờn ta hàn cỏc mó vào tấm ủỏy (hỡnh 6.5 c) thỡ việc hàn này khụng gõy biến dạng thanh thộp hỡnh [ bởi vỡ nú chưa ủược lỏp rỏp vào kết cấu. Sau ủú nếu hàn thanh thộp [ vào tấm ủỏy và cỏc mó sẽ dẫn ủến tỡnh huống ủộ cong do cỏc mối hàn bằng sẽ cú dấu ngược lại với ủộ cong do cỏc mối hàn ủứng, tức là ủộ cong tổng sẽ như sau:
2
1 C
C
C = −
∑
Nếu dựng biện phỏp nào ủú ủể cõn bằng giỏ trị C1 và C2, thỡ ủộ cong tổng sẽ bằng 0 và thanh thộp [ sẽ thẳng. Khả năng ủạt ủược C1 = C2 sẽ rừ ràng nếu triển khai sử dụng cỏc cụng thức ở trờn. Sau khi ủặt cỏc biểu thức cho ủộ cong từ cỏc mối hàn dọc và ngang, ta cú ủiều kiện cho ủộ thẳng của mặt trờn thanh thộp [ sẽ là:
d l J q z J
qd z d m2
1 2 2 1
1 1 1
' ' '
2 à
à =
Từ ủẳng thức trờn ta cú, ủể cú biến dạng bằng 0, cú thể sử dụng cỏc biện phỏp kết cấu và công nghệ.
Giỏ trị năng lượng cú thể ủiều chỉnh ủược trong phạm vi rộng mà vẫn ủảm bảo những thay ủổi tương ủối nhỏ trong kớch thước mối hàn gúc.
Thay ủổi chiều cao của mó sườn cũng cú thể ủiều chỉnh chiều dài của mối hàn ủứng lm2 và ủương nhiờn là ủại lượng z'2, trong khi ủú z'1 là khụng ủổi với những kớch thước cho trước của thanh thộp [ và tấm ủỏy. Ngoài ra trong chừng mực nào ủú cú thể thay ủổi khoảng cỏch d giữa cỏc mó sườn. Rừ ràng bằng cỏch ủiều chỉnh cỏc kớch thước và bố trớ cỏc mó sườn, cú thể ủảm bảo ủộ thẳng của thanh thộp [.
Như vậy sau khi phân tích các phương án công nghệ lắp ráp và hàn, có thể lựa chọn ủược phương ỏn cho biến dạng tối thiểu. Tuy nhiờn, nếu do yờu cầu và ủiều kiện sản xuất phải sử dụng phương ỏn khỏc, thỡ bằng phương phỏp thay ủổi mang tớnh kết cấu
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 134
cũng cho ta ủạt ủược kết quả mong muốn. Vớ dụ trong kết cấu ủó xem ở trờn, cỏch thức hay nhất nhỡn từ gúc ủộ sản xuất là rỏp toàn bộ cỏc chi tiết với nhau một lần rồi sau ủú tiến hành hàn. Dễ nhận thấy phương ỏn cụng nghệ này sẽ cho biến dạng như ủó xem ở trờn trong hỡnh 6.5 c). Giảm kớch thước cạnh của mó sườn tiếp giỏp với tấm ủỏy ủến giới hạn cho phộp, song song với ủú giảm chiều cao của mó chỳng ta cú thể cú ủược kết quả ủộ biến dạng sẽ khụng vượt quỏ giỏ trị trong phương ỏn cụng nghệ mụ tả ở hỡnh 6.5 c).
Như vậy sử dụng phương phỏp tớnh toỏn xỏc ủịnh ủộ biến dạng cú thể phõn tớch cỏc phương ỏn cụng nghệ khỏc nhau trong lắp rỏp và hàn, từ ủú cú lựa chọn thớch hợp nhất từ gúc ủộ sản xuất, kinh tế cũng như ủộ chớnh xỏc mà khụng ủũi hỏi phải sử dụng liệu phỏp ủặc biệt nào ủể loại bỏ biến dạng hàn.
Trong quỏ trỡnh thiết kế cụng nghệ kết cấu hàn, phương phỏp tớnh nõng cao ủộ chớnh xỏc của kết cấu hàn khụng tạo khú khăn và cũng khụng ủũi hỏi nhiều thời gian, bỏi nhiều dữ liệu ủặc tớnh hỡnh học của mặt cắt ủều ủó cú sẵn từ cỏc tớnh toỏn ủộ bền. Ngoài ra, trong một số trường hợp, chỉ cần tớnh 1 hoặc 2 phương ỏn là ủủ, bởi ủể ủỏnh giỏ cỏc phương ỏn cũn lại, cú thể sử dụng tất cả cỏc phộp ttớnh ủó xem xột ở trờn.
Trên hình 6.6 a) mô tả một phần kết cấu boong phẳng, bao gồm các sườn ngang có tiết diện T và các sườn dọc.
ðể chế tạo kết cấu này cú thể cú 3 sơ ủồ lắp rỏp và hàn.
I – rỏp toàn bộ sau ủú thực hiện hàn
II – rỏp và hàn sườn ngang vào tụn mặt boong, sau ủú rỏp và hàn cỏc sườn dọc (hình 6.6, b)
II – rỏp và hàn sườn dọc vào tụn mặt boong, sau ủú rỏp và hàn sườn ngang (hỡnh 6.6, c).
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 135
Hình 6.6. Các phương án ráp và hàn một phần kết cấu mặt boong
Nếu ủỏnh giỏ 3 sơ ủồ nờu trờn theo mức ủộ biến dạng của sườn ngang, dễ dàng nhận thấy trong phương án II (hình 6.6 b), các sườn ngang sẽ bị cong do kết quả hàn chỳng cả vào tụn mặt boong lẫn khi hàn cỏc sườn dọc vào tụn mặt boong. Giỏ trị ủộ cong vờnh sẽ ủược cộng lại vỡ chỳng cựng dấu fII = f1+ f2.
Nếu ỏp dụng phương ỏn III (hỡnh 6.6 c), việc hàn ủầu tiờn cỏc sườn dọc vào tụn boong khụng tạo nờn cong vờnh của sườn ngang và chỉ khi cỏc sườn ngang ủược hàn, chỳng mới nhận ủược ủộ cong f1. Vỡ thế ủộ cong tổng thể của sườn ngang theo phương án III sẽ là: fIII =01+ f2 = f1
Theo phương ỏn I, tổng ủộ cong của sườn ngang cũng giống như phương ỏn II:
2
1 f
f fI = +
Như vậy, theo giỏ trị của ủộ biến dạng sườn ngang thỡ phương ỏn III là phương ỏn tối ưu.
Từ vớ dụ trờn cho thấy bằng cỏch tớnh toỏn ủộ cong vờnh f1 và f2 cú thể ủỏnh giỏ tất cả 3 phương ỏn trỡnh tự rỏp và hàn từ ủú rỳt ra phương ỏn hợp lý nhất.
Trong rất nhiều cỏc kết cấu, vớ dụ như kết cấu ủỏy vỏ tàu, biến dạng cong cú thể dẫn ủến làm co ngút chiều rộng của thõn tàu, làm giảm ủộ chiếm nước (hỡnh 6.7)
f1
f2 f1
a)
f =
b) c)
)
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 136
Hỡnh 6.7. ðảm bảo hỡnh dỏng thiết kế của kết cấu ủỏy tàu bằng cỏch sử dụng ủộ doóng ban ủầu
: hình dáng thiết kế : ủộ doóng ban ủầu
: hỡnh dỏng kết cấu sau khi hàn khụng sử dụng ủộ doóng ban ủầu
Nếu bằng cỏch lựa chọn trỡnh tự rỏp và hàn khụng thể ngăn ngừa ủược sự co ngút chiều rộng thõn tàu, thỡ khi lắp rỏp cần ủể dư kớch thước về chiều ngang, cựng với những thay ủổi tương ứng trong kớch thước của giỏ ủỡ, giàn ủầu nối (ở hỡnh 6.7 những thay ủổi về hỡnh dạng của dàn ủỡ ủầu nối ủược mụ ta bẳng nột rời)
ðộ dư theo chiều ngang và hỡnh dỏng của của dưỡng ủể chế tạo dàn ủầu nối cần phải ủược xỏc ủịnh qua tớnh biến dạng của kết cấu.
Tương tự biến dạng co ngút dọc của kết cấu cũng cần ủược lượng trước bằng một ủộ dụi dư dọc ban ủầu.
Như vậy phộp tớnh ủộ biến dạng cho phộp ủiều chỉnh kớch thước của kết cấu trong giới hạn sai số cho phép, bằng cách lự chọn phương án trình tự ráp và hàn.
Tuy nhiờn trong nhiều trường hợp, phương ỏn cụng nghệ ủó thoả món yờu cầu về ủộ chớnh xỏc chế tạo nhưng lại khụng hợp lý theo cỏc tiờu chớ khỏc: khối lượng cụng việc lớn, khụng thể ỏp dụng phương phỏp hàn tự ủộng v.v... Khi ủú người ta thường sử dụng cỏc biện phỏp thủ cụng nõng cao ủộ chớnh xỏc, thậm chớ với trỡnh tự lắp rỏp và hàn khụng phải là tối ưu.
B
B ∆
∆
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 137