GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ hàn đóng vai trò quan trọng trong ngành chế tạo, với ứng dụng rộng rãi trong việc kết nối vật liệu cho máy móc và công trình Trong lĩnh vực sửa chữa, hàn thường được thực hiện, nhưng các phương pháp như hàn hồ quang và hàn nóng chảy có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến cơ tính của vật liệu Những khuyết tật như nứt nóng, nứt nguội, nứt tế vi, rỗ khí, lẫn xỉ, và các sai lệch về hình dáng có thể làm giảm chất lượng mối hàn, đặc biệt đối với các chi tiết chịu tải trọng và ứng suất Thêm vào đó, việc hàn bằng phương pháp đốt chảy tiêu tốn nhiều điện năng và chi phí cho vật liệu trung gian, đồng thời gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Việc chế tạo máy hàn ma sát giúp loại bỏ khuyết tật trên sản phẩm do hàn nóng chảy, từ đó giảm chi phí phụ, nâng cao năng suất và cải thiện chất lượng mối hàn.
Hình 1 Vết nứt trên mối hàn hồ quang.
Hình 2 Mối hàn bị lẫn xỉ Hình 3 Mối hàn không ngấu
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trong thời đại hiện nay, việc phát minh và cải tiến các phương pháp sản xuất mới là chiến lược quan trọng của các doanh nghiệp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thời gian, chi phí sản xuất Nghiên cứu và phát triển thiết bị, máy móc hiện đại luôn được ưu tiên hàng đầu, trong đó có việc thiết kế và chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay Mục tiêu của nghiên cứu này là rõ ràng, nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU sức lao động, đáp ứng các nhu cầu cần thiết Đề tài được thực hiện đầy đủ các bước theo một quy trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo một sản phẩm mới và có ƣu thế về các mặt sau:
- Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại
- Thời gian hàn cực nhanh, năng suất cao
- Không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại, )
- Khả năng chế tạo lại và điều khiển các thông số quá trình hàn tốt
- Không cần bổ sung kim loại phụ
- Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động
- Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt)
- Hàn đƣợc các kim loại khác nhau với nhau
- Cơ tính mối hàn rất tốt
- Hàn đƣợc các loại tiết diện khác nhau
- Môi trường sản xuất sạch
- Không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân
- Khuyết tật mối hàn hầu nhƣ không có
- Không cần yêu cầu tiết diện của 2 chi tiết phải giống nhau
- Là phương pháp hàn rất triển vọng trong tương lai.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
- Tìm hiểu nguyên lý, cơ cấu hoạt động của các thiết bị Hàn ma sát xoay.
- Nghiên cứu các thông số thiết lập quá trình hàn ma sát xoay.
- Thiết kế mô hình thiết bị bằng phần mềm CREO 3.0
- Thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí.
- Nghiên cứu cách thiết lập bảng điều khiển hệ thống thủy lực.
- Gia công, lắp ráp các chi tiết của thiết bị hàn ma sát xoay.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu a Hình dạng kết cấu
Hình 4:Hàn thanh với thanh
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 2
Hình 5:Hàn ống với ống
Hình 6: Hàn thanh với thanh b Vật liệu hàn.
Chọn vật liệu cho mẫu hàn ma sát xoay dựa trên các thí nghiệm đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế, bao gồm các vật liệu như: thép với thép, nhôm với nhôm, đồng với đồng, thép với nhôm, thép với đồng, và nhôm với đồng.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Lĩnh vực nghiên cứu này còn mới mẻ và gặp khó khăn về tài chính, do đó, đề tài chỉ tập trung vào việc hàn các chi tiết có đường kính nhỏ hơn 20mm cho chi tiết đặc và 60mm cho chi tiết rỗng Quy trình hàn chưa được tự động hóa hoàn toàn, và do thời gian hạn chế, chưa có cơ hội thực hiện các thử nghiệm thực tế để đánh giá toàn diện về đề tài.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận :
- Dựa vào tình hình thực tế việc ứng dụng các phương pháp hàn truyền thống hiện nay nhƣ Hàn hồ quan, Hàn khí, Hàn áp lực…
- Dựa vào nhu cầu các dây chuyền công nghệ có thể ứng dùng Hàn ma sát vào.
- Dựa vào khả năng công nghệ có thể chế tạo đƣợc thiết bị hàn ma sát xoay.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 3
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể : Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, người thực hiện sử dụng một số phương pháp chủ yếu sau:
Phương pháp nghiên cứu tài liệu là một kỹ thuật quan trọng trong việc tìm hiểu các vấn đề liên quan đến hàn ma sát Người thực hiện sẽ tập trung vào việc tham khảo các bài báo khoa học từ các tạp chí uy tín và trang web chuyên ngành, nhằm đánh giá các phương pháp hàn ma sát và tính chất của mối hàn Ngoài ra, việc nghiên cứu các đoạn phim tư liệu về công nghệ hàn ma sát xoay và tài liệu hướng dẫn lập hệ thống điều khiển thủy lực cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình nghiên cứu.
Phân tích dữ liệu là bước quan trọng sau khi tham khảo tài liệu và thu thập số liệu cần thiết Việc này giúp hiểu rõ hơn về các thông tin liên quan và rút ra những kết luận có giá trị.
Mô hình hóa là mục tiêu chính của đề tài, giúp kiểm nghiệm lý thuyết và phát hiện những sai sót mà phương pháp lý thuyết không thể nhận ra Qua việc chế tạo mô hình, tôi có thể ôn lại kiến thức đã học một cách sâu sắc hơn.
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
- Chương 3: Cơ sở lý thuyết.
- Chương 4: Phương hướng và các giải pháp đề xuất
- Chương 5: Các phương án chế tạo mô hình
- Chương 6: Tính toán thiết kế cơ cấu
- Chương 7: Quá trình gia công thiết kế
- Chương 8: Kiến nghị đề xuất và hướng phát triển
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 4
TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.
2.1.1 Tổng quan chung về hàn ma sát xoay: a Định nghĩa về hàn ma sát xoay:
Hàn ma sát là phương pháp hàn áp lực, trong đó nhiệt độ do ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của các chi tiết chuyển động tạo ra Nhiệt này giúp nung chảy mép hàn đến trạng thái dẻo, sau đó lực ép được áp dụng để kết nối chúng lại với nhau Quá trình này dẫn đến sự khuếch tán của kim loại ở mép hàn, tạo ra mối hàn chắc chắn.
Hình 7 Sơ đồ hàn ma sát xoay.
Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của lực ép thì năng lƣợng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng Ma sát trong hàn là ma sát khô.
Nhiệt ma sát là nhiệt lượng phát sinh từ sự trượt giữa hai bề mặt, phụ thuộc vào lực ép pháp tuyến, hệ số ma sát, vật liệu hàn và tốc độ chuyển động tương đối Trong quá trình này, phần lớn nhiệt ma sát giúp nung nóng kim loại mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, trong khi một phần truyền vào chi tiết hàn và phần còn lại tỏa ra môi trường xung quanh.
Cơ năng chuyển thành nhiệt năng
Vật liệu vùng hàn dẻo.
Vật liệu tại vùng hàn khuyết tán vào nhau dưới lực
Hình8 Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát. b Ƣu nhƣợc điểm của hàn ma sát xoay:
- Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại
- Thời gian hàn cực nhanh, năng suất cao
- Không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại, )
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 5
- Khả năng chế tạo lại và điều khiển các thông số quá trình hàn tốt
- Không cần bổ sung kim loại phụ
- Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động
- Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt)
- Hàn đƣợc các kim loại khác nhau với nhau
- Cơ tính mối hàn rất tốt
- Hàn đƣợc các loại tiết diện khác nhau
- Môi trường sản xuất sạch
- Không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân
- Khuyết tật mối hàn hầu nhƣ không có
- Không cần yêu cầu tiết diện của 2 chi tiết phải giống nhau
- Là phương pháp hàn rất triển vọng trong tương lai.
- Một chi tiết hàn phải quay tròn hoặc tịnh tiến.
- Mối hàn lồi ba via tốn công cắt bỏ (gia công cơ).
- Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm
- Kích thước của chi tiết hàn bị hạn chế
- Không hàn đƣợc kết cấu quá phức tạp
2.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố trên thế giới:
Theo tài liệu Hiệp Hội Hàn của Mỹ thì hàn ma sát xoay đƣợc cấp bằng sáng chế năm
Vào năm 1891, công nghệ hàn ma sát xoay bắt đầu được phát triển, và từ những năm 1920 đến 1942, nhiều bằng sáng chế liên quan đã được cấp tại Châu Âu Đến năm 1956, Liên Xô cũng cấp bằng sáng chế cho công nghệ này Trong thập niên 60 của thế kỷ 20, công nghệ hàn ma sát xoay tiếp tục được cải tiến và ứng dụng rộng rãi.
Hàn ma sát xoay đã phát triển mạnh mẽ tại Mỹ, đặc biệt trong thời kỳ chiến tranh lạnh, khi nó được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật quân sự Các thiết bị sản xuất trong giai đoạn này chủ yếu do các công ty AMF, Caterpillar và Rockwell International nghiên cứu và chế tạo.
Hàn ma sát xoay đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu cao của ngành công nghiệp chế tạo Nhiều nghiên cứu tại các trường đại học đã được thực hiện về hàn ma sát xoay từ nhiều khía cạnh khác nhau Trên thế giới, có một số nghiên cứu chuyên sâu về hàn ma sát xoay đã được tiến hành.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 6
Hình 9 Hàn ma sát xoay trên máy tiện sử dụng đội thủy lực (Internet)
Hàn ma sát xoay không chỉ được ứng dụng trong các vật liệu truyền thống như kim loại, mà còn mở rộng ra các vật liệu phi truyền thống như nhựa, polymer và hợp chất giữa kim loại và phi kim Mặc dù có nhiều nghiên cứu trên thế giới, chủ yếu do các công ty hoặc hợp tác giữa công ty và các trường đại học thực hiện, nhưng hầu hết chưa được công bố rộng rãi Do đó, với phạm vi ứng dụng rộng lớn, hàn ma sát xoay vẫn là một đề tài mới mẻ tại Việt Nam.
Hình 10 Thiết bị hàn ma sát xoay của công ty Shenja.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 7
Hình 11 Thiết bị hàn ma sát xoay của công ty Shenja.
Hình 12 Hàn ma sát xoay trên máy tiện
2.1.3 Tình hình nghiên cứu hàn ma sát xoay ở Việt Nam. Ở nước ta, hàn ma sát nói chung và hàn ma sát xoay nói riêng vẫn còn là lĩnh vực mới mẽ Chỉ có một số công trình nghiên cứu của đại học Nha Trang kết hợp với Nhật đã đƣợc thực hiện:
- Những kết quả bước đầu về ứng xử mỏi của kết cấu hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim M247-INC718.
- Tập trung biến dạng và ứng suất trong mối hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim M247 và INC718;
- Sự phát triển vết nứt trong mối hàn ma sát hai siêu hợp kim M240 và INC718 trong điều kiện mỏi lão.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 8
ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai- dwe@mail.hut.edu.vn “hàn ma sát”, http://d.violet.vn/uploads/resources/
Mặc dù có nhiều nghiên cứu về ứng xử của vật liệu trong quá trình sử dụng, nhưng chúng chủ yếu tập trung vào các vật liệu đặc biệt mà chưa đi sâu vào hàn các vật liệu thông dụng, bao gồm mối quan hệ giữa các thông số và ứng xử của vật liệu trong và sau khi hàn Đây là những vấn đề quan trọng mà chúng ta cần quan tâm khi nghiên cứu hàn ma sát xoay Ngoài ra, các nghiên cứu hiện tại cũng chưa đề cập đến công nghệ và khả năng ứng dụng cho các chi tiết cụ thể Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, hàn ma sát vẫn là một phương pháp gia công còn xa lạ Mặc dù một số doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tư, họ vẫn chưa mạnh dạn do thiếu cơ hội tiếp cận và lo ngại về nguồn chất xám tại chỗ khi đầu tư vào công nghệ này.
Hàn ma sát xoay là một hướng đi tiềm năng trong lĩnh vực hàn tại Việt Nam, cả về nghiên cứu lẫn ứng dụng Trong tương lai gần, công nghệ hàn ma sát sẽ đa dạng hóa lựa chọn gia công chi tiết chất lượng cho ngành chế tạo Việt Nam, đồng thời giúp công nghệ trong nước dần bắt kịp các tiến bộ toàn cầu.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 9
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Lịch sử hàn ma sát.
Hàn ma sát mang lại lợi ích kinh tế cao, giảm thiểu nhân công và tiêu hao năng lượng, đồng thời đảm bảo độ bền của mối hàn Quá trình này đã tồn tại từ lâu, nhưng sự phát triển mạnh mẽ bắt đầu từ những năm 1950 tại Nga và Mỹ, sau đó lan rộng sang Anh A I Chudikov đã đề xuất những ý tưởng ban đầu vào năm 1954 tại Viện hàn của Nga, nơi nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn cho các vật liệu giống và khác nhau Năm 1960, Viện hàn được thành lập và thiết bị hàn đầu tiên đã chứng minh tiềm năng của quá trình hàn cho các thanh có đường kính lên đến 1 inch.
Hàn ma sát xoay là phương pháp hàn đầu tiên được phát triển và áp dụng trong thương mại, bao gồm hai biến thể chính: hàn ma sát xoay thông thường và hàn ma sát xoay quán tính Máy hàn ma sát thông thường thường có cấu trúc đơn giản, với hai thanh xy lanh lực cố định theo chiều dọc Trong quá trình hàn, một thanh sẽ quay trong khi thanh còn lại đẩy vào điểm tiếp xúc dưới áp lực dọc trục đã được xác định trước Quá trình quay diễn ra liên tục trong một khoảng thời gian nhất định để tạo ra nhiệt độ cần thiết, khiến vật liệu tại vùng kết nối trở nên chảy dẻo Sau khi đạt trạng thái chảy dẻo, trục quay sẽ dừng lại và lực ép được tăng cường để hoàn thành việc kết nối các khớp.
Năm 1954, AI Chudikov từ Liên Xô đã đạt được thành công trong thí nghiệm hàn ma sát bằng cách sử dụng máy tiện sửa đổi và thanh kim loại tròn Đến năm 1956, VNIIESO (Viện Nghiên cứu Liên Xô về Máy hàn Điện) đã phát triển ý tưởng này và bắt đầu nghiên cứu sâu hơn về công nghệ hàn ma sát.
Vào năm 1957, Viện phát triển đã công bố máy hàn ma sát MST-1, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ hàn Sau sự kiện này, nhiều quốc gia đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn ma sát để áp dụng vào thực tiễn.
Năm 1958, Sự phát triển ở Liên Xô bước vào giai đoạn mà công nghệ hàn ma sát đã đƣợc giới thiệu trong các quá trình sản xuất.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 10
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Năm 1958, Hiệp hội Nghiên cứu Hàn Anh (BWRA) đã thành công trong việc sản xuất mẫu thử nghiệm máy hàn ma sát, trong khi AMF Corp của Mỹ cũng giới thiệu một nguyên mẫu tương tự trong cùng năm.
Năm 1960, tác phẩm "Mối hàn kiểu ma sát của kim loại" của VILL từ VNIIESO đã được giới thiệu như một dữ liệu nghiên cứu tại Nhật Bản, điều này đã thúc đẩy một cuộc điều tra và nghiên cứu sâu rộng về ma sát tham gia.
Năm 1960, Một nhóm nghiên cứu máy công cụ mang lại thông tin hữu ích từ Liên Xô.
Năm 1962, Tập đoàn công nghiệp Toyota Industries phát triển ban đầu trong nước một loại phanh ma sát máy hàn nhƣ là thiết bị sản xuất hàng loạt.
Năm 1964, Hội nghị nghiên cứu mối nối kiểu ma sát được thành lập, sau đó được đổi tên thành Khoa học nghiên cứu mối hàn kiểu ma sát Hiệp hội mối hàn kiểu ma sát đã được thành lập và tiếp tục hoạt động cho đến ngày nay.
Hàn quán tính, phát triển tại Mỹ vào năm 1965, là một biến thể của hàn quán tính truyền thống Trong quá trình này, các phần quay được gắn vào bánh đà để tăng tốc độ quay đã được định sẵn, trong khi chuyển động của bánh đà bị cắt Khi bánh đà quay, bộ phận cố định sẽ bị buộc phải dừng lại, tạo ra nhiệt hàn cần thiết cho quá trình hàn.
Năm 1973, Izumi bắt đầu sản xuất lô hàng của máy hàn ma sát theo thỏa thuận với tập đoàn công nghiệp Toyota.
Năm 1994, Tiêu chuẩn IS 3607 cho gia công các mối nối kiểu ma sát của thép carbon đã đƣợc ban hành.
Năm 1998, Sự phát triển của giai đoạn điều khiển NC máy hàn ma sát cho các ứng dụng thực tế.
Năm 2002, Sự phát triển một máy hàn ma sát đường kính siêu nhỏ đối với ứng dụng thực tế.
3.2 Các thông số công nghệ hàn ma sát xoay.
Hàn ma sát xoay là một phương pháp hàn rèn, trong đó nhiệt được tạo ra từ lực ma sát giữa hai bề mặt Nhiệt này được truyền tải dưới áp lực dọc trục, và khi đạt đủ mức nhiệt cần thiết, phần quay sẽ dừng lại để áp dụng lực rèn Các thông số chính của quá trình hàn ma sát thường được thể hiện như một hàm của thời gian Phương pháp này có khả năng tự động hóa cao, mang lại hiệu quả trong sản xuất.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 11
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT dụng để kết nối các vật liệu khác nhau mà không thể đƣợc hàn với các quá trình hàn thông thường.
Hình 13 Sơ đồ các thông số quá trình hàn.
Ngoài phương pháp hàn truyền thống, hàn ma sát cho phép kiểm soát nhiều thông số quan trọng như đường kính chi tiết hàn, tốc độ quay, tốc độ các bộ phận máy hàn, thời gian ma sát, thời gian hãm, thời gian rèn, thời gian gia tăng áp lực ma sát và lực ma sát Việc điều chỉnh các thông số này giúp cải thiện chất lượng mối hàn và hiệu suất làm việc.
Các thông số như hình học của bộ phận và tính chất vật liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình hàn Để tối ưu hóa quá trình hàn, cần chú ý đến các yếu tố như tốc độ quay, thời gian ma sát, lực ma sát và lực rèn Một quá trình hàn thành công chỉ có thể đạt được khi các thông số này được tối ưu hóa một cách hợp lý.
Hạ thấp tốc độ quay của bộ phận sẽ tạo ra mômen lớn và gây ra sự gia nhiệt không đồng bộ bên trong Ngược lại, sự thay đổi tốc độ quay tối thiểu có thể hình thành các hợp chất liên kim Khi tốc độ quay cao hơn, ITAB được mở rộng và cung cấp điện vẫn ổn định Để tránh hiện tượng quá nóng trong vùng hàn, cần kiểm soát chặt chẽ áp lực ma sát và thời gian ma sát.
Giá trị áp suất trong quá trình hàn đóng vai trò quan trọng, vì nó điều chỉnh sự chênh lệch nhiệt độ và ảnh hưởng đến mô-men quay cũng như công suất.
Lực ma sát và lực rèn có mối liên hệ chặt chẽ với hình học và tính chất vật liệu của các bộ phận hàn, ảnh hưởng lớn đến quá trình hàn và chất lượng sản phẩm.
Hàn ma sát, giống như hàn thông thường, có nhiều tham số quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Việc điều chỉnh các tham số này là rất cần thiết để đảm bảo sản xuất mối hàn đạt tiêu chuẩn.
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường Trang 12
