Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Tạ Văn Rảnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Cương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Lịch Sử Hàn Ma Sát Xoay

Hàn ma sát xoay (Rotative Friction Welding) là một phương pháp hàn hiện đại sử dụng năng lượng ma sát để nối kết hai chi tiết kim loại mà không cần vật liệu lấp đầy. Phương pháp này đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không, ô tô và sản xuất máy móc. Thiết bị hàn ma sát hoạt động bằng cách tạo ra chuyển động quay tương đối giữa hai chi tiết, sinh ra nhiệt độ cao tại điểm tiếp xúc, làm mềm hoặc nóng chảy vật liệu, sau đó kết hợp chúng lại. Công nghệ này có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp hàn truyền thống: chất lượng nối kết cao, không cần kim loại đổ, biến dạng nhỏ, và hiệu suất năng lượng tốt. Sự phát triển của thiết kế và chế tạo thiết bị hàn ma sát đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong công nghiệp sản xuất hiện đại.

1.1. Định Nghĩa Hàn Ma Sát Xoay

Hàn ma sát xoay là quá trình nối kết hai chi tiết kim loại thông qua ma sát xoay tương đối giữa chúng. Một chi tiết quay với tốc độ cao trong khi chi tiết kia giữ nguyên, tạo ra nhiệt độ khoảng 0,5-0,9 lần nhiệt độ nóng chảy của vật liệu. Khi đạt độ mềm thích hợp, áp lực chồn được tác dụng, buộc các chi tiết nối kết lại với nhau. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả cho các chi tiết trục, thanh, và các hình dạng đơn giản.

1.2. Phát Triển Lịch Sử Công Nghệ

Công nghệ hàn ma sát xoay được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1980 bởi các nhà khoa học Liên Xô. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về thiết kế thiết bị hàn ma sát đã được tiến hành tại các trường đại học kỹ thuật, nhằm nâng cao năng lực sản xuất và ứng dụng công nghệ tiên tiến trong các ngành công nghiệp địa phương.

II. Các Phương Pháp Hàn Ma Sát Chính

Hiện nay có ba phương pháp hàn ma sát chính được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Hàn ma sát thẳng (Linear Friction Welding) sử dụng chuyển động tuyến tính để sinh ra nhiệt, phù hợp với các chi tiết hình phức tạp. Hàn ma sát đảo (Friction Stir Welding) là phương pháp cải tiến, sử dụng một dụng cụ quay để khuấy động vật liệu, tạo ra nối kết vô cùng bền vững. Hàn ma sát xoay (Rotative Friction Welding) là phương pháp truyền thống nhất, phù hợp với các chi tiết trục đơn giản. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng, phụ thuộc vào loại vật liệu, hình dạng chi tiết và yêu cầu chất lượng nối kết. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là chìa khóa để đạt được hiệu suất sản xuất tối ưu.

2.1. Hàn Ma Sát Thẳng Linear Friction Welding

Hàn ma sát thẳng sử dụng chuyển động tuyến tính với tần số cao (10-100 Hz) để sinh ra nhiệt. Phương pháp này thích hợp cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, đặc biệt là các chi tiết từ hợp kim titanium và nhôm. Quá trình diễn ra nhanh, thường chỉ 1-30 giây, với độ bền nối kết cao và biến dạng rất nhỏ.

2.2. Hàn Ma Sát Đảo Friction Stir Welding

Hàn ma sát đảo sử dụng dụng cụ quay đặc biệt để khuấy động và trộn vật liệu ở hai bên giao mặt. Phương pháp này cho chất lượng nối kết xuất sắc, không có các lỗi như khuyết tật hoặc khí bao phủ. Ứng dụng chính là hàn các tấm aluminium trong công nghiệp hàng không và tàu thủy.

III. Thiết Kế Thiết Bị Hàn Ma Sát Xoay Hiện Đại

Thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay đòi hỏi sự cân bằng giữa các yếu tố kỹ thuật và kinh tế. Hệ thống chính bao gồm: khung đỡ cứng vững, hộp tốc độ để điều chỉnh tốc độ quay, hệ thống kẹp chặt chi tiết, đầu động cơ cung cấp mô men quay, và thiết bị điều khiển để quản lý các thông số công nghệ. Các phương án thiết kế khác nhau bao gồm máy hàn trên tiện, máy hàn thông thường, máy hàn quán tính và máy hàn điều khiển tự động. Mỗi phương án có những ưu điểm riêng: máy hàn trên tiện tiết kiệm chi phí, máy hàn quán tính tăng hiệu suất, còn máy hàn điều khiển tự động đảm bảo chất lượng và độ ổn định cao nhất.

3.1. Các Thông Số Công Nghệ Quan Trọng

Các thông số chính ảnh hưởng đến chất lượng hàn ma sát xoay bao gồm: áp lực ma sát, áp lực chồn, thời gian nung, tốc độ quay và lượng co gia nhiệt. Áp lực ma sát thường từ 2-10 MPa, áp lực chồn từ 10-50 MPa. Thời gian nung phụ thuộc vào loại vật liệu và kích thước chi tiết, từ 2-10 giây. Các thông số này cần được tối ưu hóa để đạt chất lượng nối kết tốt nhất.

3.2. Quy Trình Lựa Chọn Phương Án Thiết Kế

Lựa chọn phương án thiết kế máy hàn ma sát dựa trên nhiều yếu tố: loại vật liệu cần hàn, kích thước chi tiết, sản lượng dự kiến, ngân sách đầu tư và yêu cầu chất lượng. Cần phân tích kỹ từng phương án bằng phương pháp so sánh, phân tích kinh tế và đánh giá khả năng thực hiện trước khi đưa ra quyết định cuối cùng.

IV. Quá Trình Chế Tạo và Ứng Dụng Thực Tiễn

Chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay là một công trình công nghiệp phức tạp, đòi hỏi sự phối hợp giữa thiết kế, gia công cơ khí, lắp ráp và hiệu chuẩn. Quá trình bao gồm: thiết kế chi tiết các bộ phận, gia công khung đỡ, lắp ráp hộp tốc độ và hệ thống truyền động, lắp đặt hệ thống điều khiển, và thử nghiệm chức năng. Ứng dụng thực tiễn của thiết bị hàn ma sát rất đa dạng: nối kết trục máy, thanh nối, chi tiết hàng không, linh kiện ô tô, và các sản phẩm cơ khí khác. Việc sử dụng công nghệ này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất lao động, và bảo vệ môi trường.

4.1. Các Bước Chế Tạo Cơ Bản

Quá trình chế tạo bao gồm: (1) Thiết kế chi tiết tất cả bộ phận với bản vẽ kỹ thuật; (2) Gia công frame, trục, bánh răng; (3) Lắp ráp các bộ phận thành một khối thống nhất; (4) Hiệu chuẩn độ căn chỉnh và độ lệch tâm; (5) Thử nghiệm với chi tiết thực tế; (6) Điều chỉnh các thông số để đạt chất lượng tối ưu.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn trong Công Nghiệp

Thiết bị hàn ma sát đã được ứng dụng thành công trong nhiều ngành: ngành hàng không (nối kết các chi tiết titanium, aluminium), ngành ô tô (thanh nối, trục), công nghiệp máy móc (chi tiết trục máy), và sản xuất năng lượng (nối kết các chi tiết turbine). Những ưu điểm như chất lượng cao, biến dạng nhỏ, không cần vật liệu đổ, và hiệu suất năng lượng tốt làm cho công nghệ này ngày càng được ưa chuộng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.2 Các phương pháp hàn ma sát. Hàn ma sát thẳng (linear friction welding): .2 Hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding): .3 Hàn ma sát xoay (Rotative friction welding):. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới.2 Kết quả nghiên cứu trong nước. Các vấn đề còn tồn tài cần nghiên cứu để giải quyết.

Tính cấp thiết của đề tài. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài .1 Ý nghĩa khoa học. Tính thực tiễn. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu.

Mục đích nghiên cứu.2 Khách thể, đối tượng nghiên cứu .8 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài.1 Nhiệm vụ nghiên cứu.2 Giới hạn đề tài.1 Cơ sở phương pháp luận: .2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể:. Kế hoạch thực hiện. Lịch sử hàn ma sát. Các thông số công nghệ hàn ma sát xoay.

ÁP lực ma sát và áp lực rèn (áp lực chồn). Lựa chọn lượng co gia nhiệt (làm nóng). Thời gian nung (thời gian ma sát). Sự tương quan giữa mô men và nhiệt năng:.

Nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay. Đặc điểm của hàn ma sát. Quy trình hàn ma sát xoay. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU .1 Thông số thiết kế.2 Phát thảo nguyên lý hoạt động.1 Nguyên lý yêu cầu .2 Nguyên lý hoạt động.

Phương án thiết kế.1 Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện.2 Phương án 2: Máy hàn ma sát thông thường .3 Phương án 3: Máy hàn ma sát quán tính.4 Phương án 4: Máy hàn ma sát điều khiển tự động.1 Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện.2 Phương án 2: Hàn ma sát thường.3 Phương án 3: Hàn ma sát quán tính.4 Phương án 4: Hàn ma sát điều khiển tự động.5 Các bộ phận máy hàn ma sát xoay. Đề xuất chế tạo máy hàn. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU .1 Phương án thiết kế thân đế.2 Phương án 2: Chế tạo khung đỡ cho máy.2 Phương án thiết kế hệ thống đỡ trục chính mang mâm cặp quay.1 Phương án 1: Chế tạo hộp tốc độ chứa trục chính. Sử dụng hộp tốc độ máy tiện.3 Phương án thiết kế hệ thống kẹp chặt chi tiết đứng yên.

Thiết kế cụm chi tiết sử dụng mâm cặp ba chấu tự định tâm. Cơ cấu kẹp chặt bằng khối V tự định tâm. Phương án thiết kế hệ thống trượt mang cơ cấu kẹp cố định.1 Phương án 1: Sử dụng băng trượt máy tiện, gia công thêm bàn bàn trượt.2 Phương án 2: Sử dụng thanh dẫn trượt (SLIDE GUIDE), .5 Phương án thiết kế hệ thống đẩy bàn trượt bằng xy – lanh thủy lực .1 Phương án 1: Hai xy lanh đẩy nối tiếp nhau.2 Phương án 2: Sử dụng hai xy lanh kế hợp với đòn bẩy .3 Phương án 3: Sử dụng 1 xy lanh, dùng van điện từ solenoid. Phương án điều khiển tốc độ động cơ .1 Phương án 1: Sử dụng puley .2 Phương án 2: Sử dụng biến tần.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, VẬN HÀNH .1 Kết cấu tổng thể.2 Tính toán phần cơ khí .1 Tính công suất máy (Chi tiết xem Phục lục 01) .2 Tốc độ quay của trục chính (Chi tiết xem phụ lục 02) .3 Tính toán bộ truyền đai (Chi tiết xem phụ lục 03) .4 Tính toán xy lanh thủy lực (Chi tiết xem phụ lục 04) .6 Khoản cách hai đầu kẹp:. Chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay. Chế tạo khung đỡ. Lắp ráp bộ phận gá trục chính mang mâm cặp quay.

Chế tạo cơ cấu mang mâm cặp không quay. Chế tạo hệ thống trượt. Chế tạo bộ phận gá lắp xy lanh thủy lực .4 Vận hành thiết bị. THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ.

Vật liệu thử nghiệm. Mẫu thử nghiệm. Thông số thử nghiệm. Chuẩn bị mẫu thử nghiệm.

Tiến hành thử nghiệm. Sản phẩm thử nghiệm hàn ma sát. Thép không gỉ 304. Đánh giá chất lượng mẫu hàn.

Kiểm tra độ bền kéo mẫu hàn. Đánh giá chất lượng mối hàn. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. TÍNH CÔNG SUẤT MÁY.

TÍNH TỐC ĐỘ QUAY TRỤC CHÍNH. TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐAI. TÍNH TOÁN LY LANH THỦY LỰC. ĐƯỜNG KÍNH CỦA ĐƯỜNG ỐNG.

Trong ngành kĩ thuật cơ khí, hàn giữ một vai trò rất quan trọng, nhất là trong công cuộc công nghiệp hoá – hiện đại hoá ở nước ta hiện nay. Hàn đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật như: Làm kết cấu nhà xưởng, xây dựng công trình, lắp ghép các chi tiết, đắp tạo các trục, thiết kế chế tạo các sản phẩm cơ khí, phục hồi các chi tiết máy sau một thời gian làm việc…, với nhiều tính năng ưu việt, năng xuất chất lượng cao. Trong thời đại ngày nay, với trình độ khoa học ngày càng phát tiển mạnh mẽ, thì hàn đã gióp phần không nhỏ trong việc đưa nghành cơ khí lên vị thế quan trọng trong công cuộc phát triển kinh tế, trong các phương pháp hàn hiện nay, hàn ma sát là một phương pháp hàn mới đầy tiềm năng với chất lượng mối hàn vượt trội, ổn định khi làm việc và đặt biệt là thân thiện với môi trường. Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành mối hàn.

Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của lực ép thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng. Ma sát trong hàn là ma sát khô. Nhiệt ma sát là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình ma sát, do sự trượt tương đối của hai chi tiết với nhau. Nhiệt ma sát phụ thuộc vào lực ép pháp tuyến của bề mặt ma sát và phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa hai chi tiết, phụ thuộc vào vật liệu hàn và tốc độ chuyển động tương đối giữa hai chi tiết.

Trong quá trình ma sát, phần lớn nhiệt ma sát làm nhiệm vụ nung kim loại mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, một phần truyền vào chi tiết hàn, phần còn lại truyền vào môi trường xung quanh. 1 Cơ năng chuyển Vật liệu vùng hàn Vật liệu tại vùng thành nhiệt năng dẻo. hàn khuyết tán vào nhau dưới lực ép. 1: Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát.2 Các phương pháp hàn ma sát.

Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành mối hàn Hình 1. 2: Sơ đồ han ma sát xoay. Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của lực ép thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng. Ma sát trong hàn là ma sát khô.

Trong đó có 3 phương pháp hàn ma sát được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo: Hàn ma sát thẳng (linear friction welding), hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding), và hàn ma sát xoay (rotative friction welding). Hàn ma sát thẳng (linear friction welding): Hai chi tiết hàn chuyển động tương đối với nhau theo phương của bề mặt tiếp xúc sinh ra nhiệt ma sát làm vật liệu bề mặt tiếp xúc nóng chảy, hai chi tiết được ép vào nhau tạo mối hàn. Hàn ma sát thẳng được ứng dụng hàn các chi tiết khối đặc, đặt biệt các chi tiết có tiết diện ngang hình chữ nhật. 3 Hai chi tiết được hàn bằng ma sát đường.

Ưu điểm: - Hàn các chi tiết dạng thanh, ống không tròn xoay (VD: Cánh turbin bằng Ti). - Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ. - Ứng dụng rất nhiều trong hàn chất dẻo. - Hàn các kim loại khác nhau với nhau.

Nhược điểm: - Lượng chùn của kim loại mối hàn lớn. - Phải gia công cơ khí sau hàn. - Thiết bị đắt tiền. - Không thích hợp lắm đối với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao.2 Hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding): Hai bề mặt hàn được đặt tiếp xúc với nhau, dao sẽ chạy giữa hai bề mặt hàn, nhiệt ma sát sẽ làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, phoi nóng chảy được ép xuống mối hàn nhờ vai của dao.

Hàn ma sát đảo được ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đường ống, tuy nhiên phương pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhất định và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng. 4: Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái). 5: Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái). 1) Một dụng cụ vận hành bằng máy đẩy đầu xoay hay đầu dò vào kim loại.

2) Tốc độ quay và tuyến tính của đầu xoay rất quan trọng trong quá trình này và thay đổi phụ thuộc vào tính chất của kim loại. 3) Đầu xoay tạo ra nhiệt và gắn kết kim loại với nhau. 4) Ma sát làm mềm kim loại dọc theo đường hàn, đưa chúng vào tình trạng mềm nhão mà không làm tan chảy. Ưu điểm: - Hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm (phẳng hoặc định hình profil) đến 25mm.

- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ. - Dễ cơ khí hóa, tự động hóa (dùng Robot). - Hàn được các hợp kim đặc biệt trong hàng không, vũ trụ. Nhược điểm: - Có hố lõm cuối đường hàn.

- Thiết bị đắt tiền. 4 - Cần phải đỡ ở mặt đối diện.3 Hàn ma sát xoay (Rotative friction welding): Hai chi tiết quay tương đối với nhau sinh ra nhiệt ma sát làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, hai chi tiết được ép vào nhau tạo mối hàn. Hàn ma sát xoay được ứng dụng hàn các chi tiết dạng trụ. Tuy công nghệ và đặc tính khác nhau nhưng các phương pháp hàn ma sát đều có điểm chung là sử dụng nhiệt năng sinh ra từ cơ năng, từ đó làm dẻo vùng vật liệu cần hàn.

Dưới đây là nguyên lý hàn ma sát: Hình 1. 6: Sơ đồ hàn ma sát xoay. Ưu điểm: - Hàn các chi tiết dạng thanh, ống tròn xoay hoặc không tròn xoay. - Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ.

- Năng suất rất cao. - Hàn các kim loại khác nhau với nhau. Nhược điểm: - Lượng chùn của kim loại mối hàn lớn. - Phải gia công cơ khí sau hàn.

- Thiết bị đắt tiền. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới. 5 Theo tài liệu Hiệp Hội Hàn của Mỹ, hàn ma sát xoay được cấp bằng sáng chế năm 1891.