Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu sản xuất và lắp đặt các hệ thống đường ống công nghiệp ngày càng gia tăng. Phương pháp gia công hàn đóng vai trò then chốt nhờ khả năng tạo liên kết cố định giữa các chi tiết cơ khí với kích thước đa dạng. Tuy nhiên, việc thi công hàn đường ống thủ công hiện nay gặp nhiều trở ngại do đòi hỏi thợ hàn có chứng chỉ và tay nghề cao, đồng thời khó đảm bảo chất lượng mối hàn đồng đều khi sản xuất hàng loạt trong điều kiện làm việc khắc nghiệt hoặc không gian hạn chế.

Công nghệ hàn quỹ đạo (Orbital Welding) sử dụng phương pháp hàn TIG (GTAW) tự động hóa đã được nghiên cứu và thương mại hóa rộng rãi trên thế giới nhằm khắc phục các nhược điểm của hàn tay. Mặc dù vậy, phần lớn các hệ thống máy hàn quỹ đạo hiện nay chỉ áp dụng cho việc hàn nối các ống hình trụ có bề mặt trơn phẳng (như inox, sắt, thép). Đối với các loại ống gân (ống ruột gà, phần thân của khớp nối mềm dùng để hấp thụ rung động, giãn nở nhiệt và chịu va đập), việc kẹp giữ và hàn quỹ đạo gặp khó khăn do biên dạng bề mặt lượn sóng, chưa có nhiều thiết bị chuyên dụng trên thị trường.

Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, các nghiên cứu chế tạo đầu hàn quỹ đạo hệ kín đã được triển khai từ năm 2020 nhưng chủ yếu phục vụ ống trụ thẳng trơn. Đồ án "Chế tạo mô hình máy hàn đâu mí ống gân" (Mã số đề tài: 22223DT70) được thực hiện nhằm kế thừa, cải tiến kết cấu đầu hàn và thiết kế cụm đồ gá chuyên biệt để hàn nối các loại ống gân.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu chung:
    • Tìm hiểu chức năng, nguyên lý hoạt động, cơ cấu điều khiển và mô hình máy hàn ống gân.
    • Tìm kiếm tài liệu, nghiên cứu liên quan đến công nghệ hàn TIG và hàn quỹ đạo.
    • Thiết kế, chế tạo các chi tiết cơ khí và nguyên lý của máy dựa trên các dòng máy hàn Orbital hiện có để phù hợp với thực tiễn sản xuất.
    • Chế tạo mô hình máy hàn quỹ đạo có khả năng hàn đâu mí ống gân đường kính dưới 100 mm.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Khảo sát các mô hình đầu hàn quỹ đạo hệ kín hiện hành.
    • Lên phương án thiết kế cụm kẹp giữ định vị ống phù hợp với biên dạng bề mặt ống gân.
    • Xây dựng mô hình 3D trên phần mềm Creo Parametric và mô phỏng chuyển động của hệ thống.
    • Gia công, chế tạo các chi tiết cơ khí chính và lắp ráp hoàn thiện mô hình.
    • Vận hành thử nghiệm và khảo nghiệm các thông số hàn thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Ống gân (ruột gà) Inox 304 đường kính ∅60 mm (đường kính ngoài 62 mm), sử dụng làm khớp nối mềm chịu rung động và giãn nở nhiệt.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Công nghệ hàn quỹ đạo hệ kín (Closed Orbital TIG Welding).
    • Cải tiến thiết kế cơ khí từ phiên bản máy hàn quỹ đạo hệ kín nghiên cứu năm 2020 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
    • Thiết kế và chế tạo cụm đồ gá kẹp giữ ống gân bằng hệ thống khí nén đảm bảo định vị ổn định trong quá trình quay của điện cực hàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các cơ sở lý thuyết về truyền động cơ khí, công nghệ hàn TIG quỹ đạo và hệ thống điều khiển khí nén để tính toán, lựa chọn thông số kỹ thuật cho mô hình:

  • Cơ sở lý thuyết hàn Orbital TIG: Hàn quỹ đạo dựa trên quy trình hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (GTAW/TIG). Hồ quang sinh ra giữa điện cực Wolfram và mối ghép ống, được mồi bằng tín hiệu cao tần (RF) hoặc cao áp nhằm ion hóa khí bảo vệ. Điện cực chuyển động quay 360 độ xung quanh chu vi ống cố định trong buồng kín chứa đầy khí trơ (Argon hoặc hỗn hợp Argon - Heli) để bảo vệ vũng hàn khỏi bị oxy hóa.
  • Lý thuyết tính toán truyền động bánh răng: Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng hộp giảm tốc một cấp được sử dụng để dẫn động bánh răng chữ C mang kim hàn quay quanh trục ống. Bánh răng chữ C được thiết kế hở để thuận tiện đưa ống vào và lấy ống ra.
  • Lý thuyết tính toán khí nén và đồ gá: Tính toán lực kẹp dựa trên trọng lượng cụm kẹp phôi nhôm 6061, hệ số ma sát trượt và hệ số an toàn; tính toán kích thước đường kính xi lanh khí nén tác động kép và lực ép ép giữ ống gân trên khối V.
  • Động cơ điều khiển: Đánh giá đặc tính của động cơ một chiều (DC), xoay chiều (AC), động cơ Servo và động cơ bước để chọn nguồn dẫn động đáp ứng yêu cầu thay đổi tốc độ quay chính xác theo từng chu kỳ hàn.

Bảng tổng hợp thông số tính toán cơ sở

Hạng mục tính toán Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn lựa chọn
Bộ truyền bánh răng Mô-đun ($m$) 2 mm
Tỷ số truyền ($u_{br}$) 3
Bánh răng nhỏ (chủ động) Số răng $z_1 = 17$, $d_1 = 34$ mm, $d_{d1} = 38$ mm, bề rộng $b = 20$ mm
Bánh răng lớn chữ C (bị động) Số răng $z_2 = 60$, $d_2 = 120$ mm, $d_{d2} = 124$ mm, bề rộng $b = 12$ mm
Lực kẹp và Xi lanh Khối lượng cụm giữ ống ($M$) 0,822 kg (xác định qua phần mềm Creo)
Lực tác dụng lên thanh truyền ($P$) $P = Q \cdot f \cdot 1,4 = 0,460$ N (với $f = 0,4$)
Áp suất làm việc khí nén ($p$) 1 bar ($0,1 \times 10^6\text{ N/m}^2$)
Đường kính xi lanh tính toán / chọn $D_{\text{tính}} = 0,65$ cm $\rightarrow$ Chọn tiêu chuẩn $D = 32$ mm
Lực kẹp tạo bởi xi lanh ($F$) $F = p \cdot S = 80,384\text{ N}$ (với tiết diện $S = 8,0384\text{ cm}^2$)
Động cơ dẫn động Loại động cơ Động cơ bước (Step NEMA 23)
Kích thước & Trọng lượng $57 \times 57 \times 53$ mm, Trục $\varnothing8$ mm, Nặng 750 g
Dòng điện hoạt động 3 A

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Thu thập tài liệu kỹ thuật hàn quỹ đạo trong và ngoài nước (Orbital Welding Handbook, tài liệu hãng Orbitec, Orbitalservice, Arc Machines); kế thừa kết quả nghiên cứu mô hình hàn Orbital của sinh viên khóa trước (2020) tại trường.
  • Phương pháp mô hình hóa 3D: Thiết kế toàn bộ chi tiết, cụm chi tiết và xuất bản vẽ kỹ thuật 2D/3D bằng phần mềm AutoCAD 2019 và Creo Parametric 7.0; mô phỏng chuyển động để kiểm tra va chạm hình học.
  • Phương pháp thực nghiệm gia công chế tạo: Gia công cơ khí (phay CNC, tiện, khoan, taro) các chi tiết kim loại và vật liệu cách điện (Bakelite, ABS); lắp ráp cơ - điện - khí nén.
  • Phương pháp phân tích thực nghiệm: Thiết lập các chế độ dòng điện hàn TIG, lưu lượng khí bảo vệ và tốc độ quay của động cơ bước trên mẫu ống gân Inox 304 ∅60 mm để đánh giá hình dáng và chất lượng mối hàn.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy hàn đâu mí ống gân được tích hợp từ 3 cụm kết cấu cơ khí chính kết hợp cùng hệ thống cấp nguồn hàn TIG và mạch điều khiển khí nén.

                           +-------------------+
                           |    Nguồn điện     |
                           +---------+---------+
                                     |
               +---------------------+---------------------+
               |                                           |
               v                                           v
      +-----------------+                         +-----------------+
      |     Tủ điện     |                         |  Máy hàn TIG    |
      +--------+--------+                         +--------+--------+
               |                                           |
       +-------+-------+                           +-------+-------+
       |               |                           |               |
       v               v                           v               v
+--------------+ +--------------+           +--------------+ +-------------+
| Van điện từ  | | Điều khiển   |           |  Dây khí và  | | Dây mass    |
| khí nén 5/2  | | Động cơ bước |           |  điện cực    | | kẹp ống     |
+-------+------+ +-------+------+           +-------+------+ +------+------+
        |                |                          |               |
        v                v                          v               v
+--------------+ +--------------+           +------------------------------+
| Xi lanh kẹp  | | Hộp truyền   |           |      Bộ đầu hàn quỹ đạo      |
| giữ ống (V)  | | bánh răng C  |---------->| (Kim hàn TIG quay 360 độ kín)|
+--------------+ +--------------+           +------------------------------+

1. Bộ đầu hàn quỹ đạo

  • Kết cấu thân vỏ: Bao gồm các tấm đỡ mặt trước, mặt sau và tấm chắn trên bằng nhôm kết hợp vật liệu cách điện Bakelite. Tấm chắn trên được chia làm hai nửa trái - phải, có thể xoay quanh trục và khóa đóng mở bằng chốt lẫy để dễ dàng đặt ống vào buồng hàn kín.
  • Cụm má kẹp ống: Được chế tạo dạng chữ U định vị thông qua mặt đáy và mặt bên, bắt chặt bằng bu-lông M3. Má kẹp có thể tháo lắp độc lập để thay thế khi chịu ảnh hưởng nhiệt lượng từ hồ quang hoặc thay đổi linh hoạt theo kích thước đường kính ống.
  • Dẫn điện và bảo vệ khí: Trục dẫn điện hàn bên ngoài truyền qua bạc dẫn hướng tới bánh răng C và đi trực tiếp vào kim hàn Wolfram. Khí Argon được nạp vào khoang kín của đầu hàn trong suốt chu trình làm việc.

2. Bộ truyền động cơ khí

  • Bánh răng khuyết chữ C: Bánh răng lớn $z=60$ được khoét rỗng tâm để tạo không gian làm việc cho ống gân. Thân bánh răng có rãnh bậc ăn khớp với bạc dẫn hướng nhằm cố định chuyển động tròn. Trên thân bánh răng C khoan lỗ định vị kèm bu-lông để giữ kim hàn TIG.
  • Bánh răng trung gian: Gắn kết với bánh răng chữ C thông qua các nam châm tại các lỗ bậc định vị, tạo thành một vành răng hoàn chỉnh giúp bộ truyền quay liên tục 360 độ trong suốt quá trình hàn.
  • Nối trục cách điện: Nối giữa trục động cơ bước ($\varnothing8$ mm) và bánh răng chủ động ($\varnothing18$ mm) được chế tạo bằng nhựa ABS nguyên khối nhằm cách ly dòng điện hàn cao áp/cao tần khỏi động cơ và hệ thống điều khiển.

3. Cụm đồ gá kẹp và chân đỡ

Nhóm tác giả đã phân tích 3 phương án thiết kế đồ gá:

  • Phương án 1: Bộ gá tự định tâm kết hợp cụm dịch chuyển trục vít me (chi phí cao, không tương thích với bề mặt gân sóng).
  • Phương án 2: Bộ gá kẹp máng tròn dùng xi lanh khí nén (gia công 4 má kẹp biên dạng tròn phức tạp, khó chế tạo).
  • Phương án 3: Bộ gá định vị khối V dẫn động bằng xi lanh khí nén phương thẳng đứng (được lựa chọn nhờ chi phí thấp, gia công đơn giản, độ cứng vững cao và định vị chính xác bề mặt lượn sóng của ống gân).

Cụm đồ gá bao gồm:

  • Tấm đế đáy (DATN-A1-1) gắn toàn bộ cụm gá và chân đỡ.
  • Khối chân đỡ gồm 3 chi tiết liên kết bu-lông: DATN-A1-2, DATN-A1-3, DATN-A1-4 giúp giảm khối lượng phôi so với gia công nguyên khối.
  • Khối V định vị (DATN-A1-6) lắp trên mặt phẳng ngang theo tiêu chuẩn Sổ tay & Atlas đồ gá để đỡ ống gân ∅60 mm.
  • Cụm nén giữ di động: Tấm kẹp di động (DATN-A2-2) trượt trên 2 thanh dẫn hướng đường kính 16 mm thông qua con trượt LM16UU và vòng phe; tấm đỡ xi lanh (DATN-A2-1) cố định vào thanh dẫn bằng gối đỡ SHF16; cụm xi lanh lắp thẳng đứng vào chân đỡ bằng 2 gối đỡ SK16.

4. Hệ thống điều khiển khí nén

  • Nguồn cấp khí: Máy nén khí cung cấp áp suất làm việc ổn định 1 bar.
  • Bộ điều khiển: Hộp nút nhấn chế tạo bằng nhựa ABS cách điện, kết nối đóng/ngắt tín hiệu điều khiển van.
  • Thiết bị chấp hành: Hai van điện từ 5/2 (5 cổng, 2 vị trí) điều khiển độc lập 2 xi lanh khí nén tác động kép đường kính 32 mm, thực hiện chu trình kẹp và nhả hai đầu ống gân trước và sau khi hàn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc cơ giới hóa quá trình hàn ống, chỉ ra hạn chế về chất lượng của phương pháp hàn thủ công và khoảng trống nghiên cứu khi công nghệ hàn quỹ đạo hiện nay chưa phổ biến đối với các chi tiết có bề mặt lượn sóng như ống gân. Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn, xác định mục tiêu chế tạo máy hàn ống gân đường kính dưới 100 mm, nêu rõ đối tượng nghiên cứu là ống Inox 304 ∅60 mm và cấu trúc 7 chương của đồ án.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương này tổng thuật toàn diện về công nghệ hàn quỹ đạo: nguyên lý tạo hồ quang GTAW/TIG bằng mồi hồ quang cao tần (RF), cấu tạo hệ hở và hệ kín, ưu điểm nâng cao năng suất, đảm bảo mối hàn đồng nhất, bảo vệ sức khỏe người vận hành. Tác giả phân tích phạm vi ứng dụng trong các ngành hàng không vũ trụ, năng lượng tái tạo, dược phẩm, bán dẫn và chế tạo đường ống áp lực. Đồng thời, chương 2 tổng quan các nghiên cứu quốc tế (thiết bị của Orbitec, Orbitalservice, Arc Machines) và các đề tài nghiên cứu đầu hàn quỹ đạo tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM giai đoạn 2020–2022.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 3 tập trung vào các công thức tính toán thiết kế chi tiết máy:

  • Tính toán kích thước hình học bánh răng chữ C: xác định đường kính vòng chia $d_C \ge d_o + L_{dc} + B_r = 42 + 30 + 20 = 92\text{ mm}$, lựa chọn $d_C = 120\text{ mm}$, mô-đun $m = 2\text{ mm}$, bánh nhỏ $z_1=17$, bánh lớn $z_2=60$.
  • Tính lực kẹp đồ gá: xác định trọng lượng cụm giữ ống $M = 0,822\text{ kg}$ trên phần mềm Creo, tính lực thanh truyền piston $P = 0,460\text{ N}$ (với hệ số an toàn 1,4), từ đó tính đường kính xi lanh lý thuyết $D = 0,65\text{ cm}$ và chọn xi lanh tiêu chuẩn $D = 32\text{ mm}$, áp suất làm việc 1 bar cho lực ép $F = 80,384\text{ N}$.
  • Lựa chọn động cơ: lập bảng so sánh 4 loại động cơ điện và chọn động cơ bước Step NEMA 23 (dòng điện 3 A, kích thước trục 8 mm) nhờ khả năng điều khiển góc quay chính xác theo xung điện rời rạc.

Chương 4: Phương hướng và giải pháp chế tạo

Chương 4 thiết lập các yêu cầu kỹ thuật đối với đồ gá (không làm biến dạng ống gân, đảm bảo độ cứng vững, dễ tháo lắp, thao tác đơn giản). Tác giả đề xuất và so sánh ưu nhược điểm của 3 phương án kẹp: bộ gá tự định tâm vít me, bộ gá máng kẹp tròn và bộ gá khối V khí nén. Phương án 3 (khối V) được lựa chọn do tối ưu chi phí, khả năng định vị ổn định và khối lượng nhẹ. Cuối chương là bảng phân công tiến độ thực hiện đề tài gồm 10 giai đoạn trong 14 tuần.

Chương 5: Thiết kế mô hình máy hàn đâu mí ống gân

Trình bày chi tiết sơ đồ khối nguyên lý kết nối giữa nguồn điện, tủ điện, máy hàn TIG, van điện từ 5/2, xi lanh và đầu hàn. Tác giả thuyết minh kết cấu 3D của cụm đầu hàn (tấm đỡ, bạc chữ U thay thế, tấm chắn đóng mở), cụm bộ truyền động (nối trục nhựa ABS cách điện, cụm bánh răng C và bánh răng khuyết gắn nam châm) và cụm chân đỡ - xi lanh (các chi tiết ký hiệu từ DATN-A1-1 đến DATN-A2-2, gối đỡ SK16, SHF16, con trượt LM16UU). Cuối cùng là sơ đồ mạch và đặc tính các phần tử khí nén.

Chương 6: Gia công và lắp ráp các chi tiết

Mô tả quy trình công nghệ chế tạo thực tế tại xưởng cơ khí:

  • Gia công phôi nhựa Bakelite cách nhiệt, cách điện cho các tấm đầu hàn.
  • Lập bảng phiếu tiến trình công nghệ gia công chi tiết cho 9 bộ phận cơ khí chính: DATN-A1-1 (tấm đế), DATN-A1-2 (đế chân đỡ), DATN-A1-3, DATN-A1-4 (thân đỡ), DATN-A1-5 (bệ đỡ xi lanh), DATN-A1-6 (khối V định vị), DATN-A2-2 (tấm kẹp di động), DATN-A2-1 (khối giữ xi lanh) và DATN-A3-1.
  • Trình bày quy trình các bước lắp ráp hoàn thiện: liên kết khối chân đỡ với tấm đế, lắp thanh dẫn hướng và con trượt, lắp cụm xi lanh khí nén, căn chỉnh đồng tâm và gá lắp bộ đầu hàn vào khung đồ gá.

Chương 7: Vận hành và thử nghiệm mô hình

Chương 7 hướng dẫn quy trình vận hành và kiểm tra thực nghiệm:

  • Chuẩn bị mép hàn: cắt phẳng, đập mí đầu ống gân bằng đồ gá chuyên dụng để đảm bảo độ khít tiếp xúc.
  • Chuẩn bị điện cực: quy cách mài kim hàn Wolfram trên máy mài chuyên dụng đảm bảo góc côn định hướng hồ quang.
  • Thiết lập thông số: điều chỉnh lưu lượng khí bảo vệ Argon nạp đầy buồng hàn và cấp vào trong lòng ống; đấu nối dây mass; cài đặt dòng điện hàn (Ampe) trên máy hàn TIG và tốc độ quay trên mạch điều khiển động cơ bước.
  • Khảo sát kết quả: mô hình thực hiện chu trình hàn tự động 360 độ nối kín hai đầu ống gân Inox 304 ∅60 mm.
  • Xây dựng bảng quy trình hướng dẫn bảo trì định kỳ cho các cơ cấu chuyển động và hệ thống khí nén của máy.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy hàn quỹ đạo hệ kín chuyên dụng cho ống gân với kích thước ống thử nghiệm thực tế là Inox 304 đường kính ∅60 mm (ngoại quan 62 mm).
  • Hệ thống đồ gá khối V kết hợp xi lanh khí nén $D = 32\text{ mm}$ định vị chắc chắn bề mặt lượn sóng của ống gân, không làm móp méo hay biến dạng thân ống dưới áp suất làm việc 1 bar.
  • Bộ truyền bánh răng C ($m = 2$, $z_2 = 60$) ăn khớp với bánh răng nhỏ ($z_1 = 17$) qua động cơ bước NEMA 23 điều khiển hành trình quay tròn 360 độ của kim hàn ổn định, không bị kẹt rơ.
  • Giải quyết được bài toán cách điện và chống ảnh hưởng nhiệt: sử dụng khớp nối trục nhựa ABS cách điện giữa motor và bánh răng; chế tạo các tấm đỡ bằng nhựa Bakelite; thiết kế má kẹp chữ U bằng nhôm bắt bu-lông M3 dễ dàng tháo rời thay thế khi bị biến dạng nhiệt.
  • Thực hiện thành công các mối hàn đâu mí nối liền 2 đoạn ống gân Inox 304 đảm bảo độ ngấu, kín khí và hình dáng mối hàn liên tục.

Giải pháp và kiến nghị đề xuất của tác giả

  • Chuẩn bị bề mặt phôi: Phải sử dụng bộ dưỡng gá đập mí chuyên dụng để làm phẳng mép hàn đầu ống gân trước khi đưa vào buồng hàn nhằm triệt tiêu khe hở ghép nối.
  • Bảo vệ vũng hàn: Cần cấp đồng thời khí trơ bảo vệ bên ngoài thông qua buồng đầu hàn kín và cắm dây cấp khí Argon trực tiếp vào lòng trong của hai đầu ống để ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng oxy hóa bề mặt trong mối hàn.
  • Chế độ bảo trì: Định kỳ kiểm tra bôi trơn rãnh dẫn hướng bạc bánh răng C, kiểm tra độ mòn kim hàn Wolfram và vệ sinh mạt bụi kim loại trên các rãnh khối V kẹp ống.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Mở rộng đối tượng hàn: Khác với các mô hình máy hàn quỹ đạo trước đây tại trường (năm 2020) chỉ hàn được ống trụ tròn bề mặt trơn phẳng, đề tài đã phát triển thành công kết cấu đồ gá và chế độ hàn áp dụng cho ống gân lượn sóng.
  • Tối ưu hóa khối lượng và chi phí chế tạo đồ gá: Phân tách cụm chân đỡ nguyên khối thành 3 chi tiết liên kết bu-lông (DATN-A1-2, A1-3, A1-4), giúp giảm đáng kể lượng phôi nhôm gia công và hạ giá thành so với phương án dùng mâm cặp định tâm hay máng kẹp tròn.
  • Nâng cao tính mô-đun hóa: Kết cấu má kẹp U và bánh răng hở cho phép thay đổi kích thước đồ gá linh hoạt để phục vụ nhiều dải đường kính ống khác nhau ($< 100\text{ mm}$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Quá trình tháo lắp, căn chỉnh và sửa chữa cụm đồ gá khối V còn tốn nhiều thời gian do sử dụng nhiều liên kết bu-lông rời.
  • Chưa có cơ cấu tự động căn đồng tâm tối ưu giữa đường tâm của cụm gá kẹp ống và đường tâm buồng quay của đầu hàn quỹ đạo, vẫn phụ thuộc vào việc căn chỉnh thủ công khi siết gối đỡ SK16.
  • Thực nghiệm mới chỉ tập trung đánh giá trên một kích thước ống gân cố định (Inox 304 ∅60 mm), chưa tiến hành thử nghiệm mở rộng trên toàn bộ dải kích thước $< 100\text{ mm}$ và các chiều dày gân sóng khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thiết kế cơ cấu căn chỉnh đồng tâm nhanh giữa bộ gá kẹp phôi và trục quay đầu hàn để giảm thời gian gá đặt trước khi hàn.
  • Tích hợp cảm biến đo khoảng cách tự động để hiệu chỉnh khe hở giữa đầu kim hàn Wolfram và bề mặt lượn sóng của ống gân trong thời gian thực.
  • Nghiên cứu chế tạo các bộ má kẹp và khối V tiêu chuẩn hóa cho các kích thước ống gân đa dạng từ ∅20 mm đến ∅100 mm.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Chế tạo máy khi làm đồ án môn học Thiết kế đồ gá, Đồ án Chi tiết máy, hoặc Đồ án tốt nghiệp về thiết bị tự động hóa hàn.
  • Kỹ sư cơ khí và kỹ thuật viên chế tạo đường ống quan tâm đến việc ứng dụng công nghệ hàn TIG quỹ đạo tự động (Orbital TIG) cho các cấu kiện ống mềm, ống ruột gà chịu áp lực và rung động.

Nội dung trọng tâm có giá trị tham khảo cao:

  • Phương pháp tính toán động học và kết cấu cho cụm bánh răng khuyết chữ C mang kim hàn quay 360 độ (Chương 3 và Chương 5).
  • Bản vẽ kết cấu và các phiếu tiến trình công nghệ gia công chi tiết đồ gá gá kẹp khối V bằng khí nén (Chương 5 và Chương 6).
  • Quy trình mài kim hàn, cấp khí bảo vệ kép (trong và ngoài ống) và các bước vận hành thực nghiệm hàn ống gân inox (Chương 7).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương án đồ gá kẹp khối V (Phương án 3) thay vì máng kẹp tròn hay mâm cặp tự định tâm?

Phương án kẹp khối V sử dụng xi lanh khí nén được chọn vì đảm bảo khả năng định vị chính xác trên bề mặt lượn sóng không liên tục của ống gân, kết cấu đơn giản, chi phí gia công thấp nhất và khối lượng nhẹ hơn nhiều so với phương án máng kẹp tròn hay mâm cặp tự định tâm trục vít me.

2. Bánh răng chữ C mang kim hàn được tính toán với các thông số hình học nào?

Bánh răng chữ C có mô-đun $m = 2\text{ mm}$, số răng $z_2 = 60$, đường kính vòng chia $d_2 = 120\text{ mm}$, đường kính đỉnh răng $d_{d2} = 124\text{ mm}$ và bề dày $12\text{ mm}$. Kích thước này được tính toán dựa trên điều kiện đường kính tối thiểu $d_C \ge d_o + L_{dc} + B_r = 42 + 30 + 20 = 92\text{ mm}$ để đảm bảo khoảng không gian chứa ống và chiều dài kim hàn.

3. Giải pháp nào được sử dụng để cách điện giữa nguồn hàn TIG cao áp và động cơ dẫn động?

Nhóm tác giả đã thiết kế một khớp nối trục chuyên dụng chế tạo bằng vật liệu nhựa ABS có đường kính ngoài $\varnothing18\text{ mm}$ (lắp vào bánh răng chủ động) và đường kính trong $\varnothing8\text{ mm}$ (lắp vào trục động cơ bước Step NEMA 23), giúp cách ly hoàn toàn dòng điện hàn và tín hiệu mồi cao tần (RF) khỏi động cơ.

4. Hệ thống kẹp khí nén sử dụng loại xi lanh và áp suất làm việc bao nhiêu?

Hệ thống sử dụng 2 xi lanh khí nén tác động kép tiêu chuẩn có đường kính trong nòng $D = 32\text{ mm}$ (tính toán lý thuyết yêu cầu tối thiểu $D = 6,5\text{ mm}$), làm việc ở áp suất 1 bar, tạo ra lực ép giữ phôi $F = 80,384\text{ N}$ thông qua van điện từ đảo chiều 5/2.

5. Vì sao cần phải cấp khí trơ Argon vào cả bên trong lòng ống gân khi hàn?

Do ống gân Inox 304 có thành mỏng, nhiệt độ cao từ hồ quang TIG sẽ gây oxy hóa mãnh liệt mặt trong của mối ghép nếu tiếp xúc với không khí. Việc cắm dây cấp khí trơ vào lòng ống nhằm tạo môi trường bảo vệ kép, ngăn ngừa khuyết tật rỗ khí và cháy đen chân mối hàn phía trong.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chế tạo mô hình máy hàn đâu mí ống gân" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị hàn quỹ đạo hệ kín kết hợp cụm đồ gá khí nén chuyên dụng. Các tính toán cơ học về bộ truyền bánh răng C, lực kẹp xi lanh và lựa chọn động cơ bước đều được kiểm chứng thông qua mô hình thực tế hoạt động ổn định. Công trình mở ra giải pháp công nghệ hiệu quả trong việc tự động hóa quá trình hàn nối các loại ống có biên dạng phức tạp, góp phần nâng cao chất lượng và năng suất chế tạo đường ống công nghiệp.