Luận văn Thạc sĩ: thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ bọt chi tiết đúc áp

Luận văn thạc sĩ thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ bọt chi tiết đúc áp lực giao tiếp với máy tính cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Huỳnh Thanh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Thiết Bị Đo Độ Bọt Chi Tiết Đúc Áp Lực Giao Tiếp Với Máy Tính
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế và Chế Tạo Thiết Bị Đo Độ Bọt

Thiết bị đo độ bọt là một trong những công cụ quan trọng nhất trong lĩnh vực kiểm tra chất lượng vật liệu đúc áp lực. Độ bọt, hay còn gọi là độ rỗng, là một chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng để đánh giá chất lượng của các chi tiết đúc. Các lỗ rỗng, khí chứa trong kim loại có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ bền, độ cứng và tuổi thọ của sản phẩm cuối cùng. Luận văn thạc sĩ này trình bày quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ bọt tích hợp chi tiết đúc áp lực có giao tiếp với máy tính, giúp tự động hóa và chính xác hóa quá trình kiểm tra.

1.1. Hiện Trạng Kỹ Thuật Về Đo Độ Bọt

Hiện nay, có nhiều phương pháp đo độ bọt khác nhau được áp dụng trong công nghiệp. Phương pháp Archimedes là phương pháp cơ bản, dựa trên nguyên lý: độ bọt được tính từ sự chênh lệch khối lượng của chi tiết trong không khí và trong chất lỏng. Bên cạnh đó, các phương pháp hiện đại như Scanning Electron Microscopy (SEM) và kỹ thuật số trực tiếp (Direct Digital Method) cũng được sử dụng, tuy nhiên chi phí cao và phức tạp.

1.2. Mục Đích và Ý Nghĩa Của Đề Tài Nghiên Cứu

Mục đích chính là thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ bọt tự động, tiết kiệm chi phí, dễ sử dụng và có độ chính xác cao. Thiết bị sẽ tích hợp cân điện tử, hệ thống giao tiếp với máy tính để xử lý dữ liệu tự động, giảm sai số con người và nâng cao hiệu suất kiểm tra chất lượng trong các nhà máy sản xuất chi tiết đúc.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Đo Độ Bọt Theo Nguyên Lý Archimedes

Nguyên lý Archimedes là nền tảng của phương pháp đo độ bọt được sử dụng trong thiết bị đo độ bọt chi tiết đúc áp lực. Theo nguyên lý này, độ bọt được xác định thông qua sự chênh lệch giữa khối lượng chi tiết khi cân trong không khí và khối lượng khi cân trong chất lỏng (thường là nước). Công thức tính độ bọt là: V_bọt = (m_khôngkhí - m_chatlỏng) / ρ_chatlỏng, trong đó ρ là khối lượng riêng của chất lỏng. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, không tốn kém, không phá hủy sản phẩm và cho độ chính xác cao.

2.1. Quy Trình Tính Toán Độ Bọt

Quy trình tính toán độ bọt bao gồm: (1) cân chi tiết trong không khí để được khối lượng m₁, (2) cân chi tiết trong chất lỏng để được khối lượng m₂, (3) tính thể tích bọt: V_bọt = (m₁ - m₂) / ρ_chatlỏng, (4) tính phần trăm độ bọt: %V_bọt = (V_bọt / V_tổng) × 100%. Các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất cần được ghi nhận để điều chỉnh sai số.

2.2. Sai Số Đo Lường Và Giới Hạn Chi Tiết Đo

Sai số đo lường trong phương pháp Archimedes bao gồm sai số của cân điện tử (±0,01g), sai số do thay đổi nhiệt độ, áp suất, độ ẩm không khí. Khối lượng tối đa của chi tiết có thể đo được phụ thuộc vào dung lượng của cân và kích thước của thiết bị đo độ bọt. Giới hạn chi tiết thường từ 100g đến 10kg tùy theo thiết kế cụ thể.

III. Kết Cấu Cơ Khí Và Thiết Kế Chi Tiết Của Thiết Bị

Kết cấu cơ khí của thiết bị đo độ bọt bao gồm: (1) chân đỡ chi tiết được thiết kế để cân bằng, (2) bình chứa chất lỏng có dung tích phù hợp, (3) cơ cấu nâng-hạ chi tiết để quá trình cân đo diễn ra an toàn, (4) cân điện tử tích hợp có độ chính xác cao. Thiết kế 3D mô phỏng cho phép kiểm tra tính khả thi trước khi chế tạo, đảm bảo các thông số kỹ thuật và an toàn. Mô hình thiết kế chi tiết được tạo từ các vật liệu chắc chắn như thép không gỉ, nhôm để chịu được tác động của chất lỏng.

3.1. Thiết Kế 3D và Mô Phỏng

Mô hình thiết kế 3D của thiết bị được xây dựng bằng phần mềm CAD để tối ưu hóa kết cấu. Các phần chính bao gồm: giá đỡ chính, bình chứa nước, hệ thống nâng hạ chi tiết, và khoang cân. Mô phỏng giúp xác định các yếu tố như độ cứng, tính ổn định, khả năng chịu tải, và thẩm mỹ thiết kế trước khi tiến hành chế tạo chi tiết thực tế.

3.2. Cấu Tạo Cơ Cấu Máy Và Tính Năng

Cơ cấu máy bao gồm: hệ thống quay để nâng-hạ chi tiết (sử dụng motor hoặc tay quay), đầu cảm biến trên cân để nhận dữ liệu khối lượng, hệ thống điều khiển điều chỉnh vị trí cân được. Thiết bị được thiết kế để có độ ổn định cao, tránh rung lắc, và dễ làm sạch sau mỗi lần sử dụng để đảm bảo độ chính xác lâu dài.

IV. Hệ Thống Điện và Giao Tiếp Máy Tính

Hệ thống điện và vận hành của thiết bị đo độ bọt bao gồm: (1) cấp nguồn điện ổn định 220V AC, (2) cân điện tử tích hợp với bộ cảm biến khối lượng, (3) bo mạch điều khiển (PLC hoặc microcontroller) để xử lý dữ liệu, (4) giao tiếp với máy tính thông qua USB, RS232 hoặc Ethernet. Phần mềm ứng dụng được lập trình để nhận dữ liệu từ cân, tự động tính toán độ bọt, lưu trữ kết quả và tạo báo cáo. Hệ thống này giúp loại bỏ sai số con người, tăng tốc độ kiểm tra và quản lý dữ liệu hiệu quả.

4.1. Cấu Tạo Cân Điện Tử và Thông Số Kỹ Thuật

Cân điện tử sử dụng trong thiết bị có dung lượng 0-10kg hoặc 0-20kg tùy thiết kế. Độ chính xác ±0,01g hoặc tốt hơn. Cân được gắn trực tiếp vào khung kết cấu chính để đảm bảo ổn định. Cân có đầu ra tín hiệu điện tử được truyền đến bo mạch điều khiển qua cổng dữ liệu. Màn hình LCD hiển thị giá trị khối lượng thực thời.

4.2. Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu từ cân, lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ, và gửi đến máy tính qua giao tiếp máy tính. Phần mềm ứng dụng được lập trình bằng C++ hoặc Python, có giao diện thân thiện người dùng. Quá trình đo được tự động hóa: nhập thông tin chi tiết, cân trong không khí, cân trong nước, tính toán độ bọt, hiển thị kết quả và xuất báo cáo PDF/Excel.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GVHD:TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 1.2 Mục đích của đề tài Đề tài nghiên cứu với mục đích chính là thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ bọt chi tiết đúc áp lực giao tiếp với máy tính theo nguyên lý Archimedes.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài.1 Nhiệm vụ của đề tài. - Cách xác định độ bọt dựa vào nguyên lý Archimedes. - Thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí.

- Cách viết giao diện trên phần mềm Visual basic studio và giao tiếp máy tính qua cổng COM (RS-232), nhằm tự động hóa quá trình tính toán.2 Giới hạn đề tài. Do đây là lĩnh vực tương đối mới mẻ đối với người nghiên cứu, có sự giới hạn về tài chính, nên đề tài chỉ dừng lại việc xác định độ bọt của chi tiết đúc bằng phương pháp đúc áp lực có khối lượng nhỏ hơn 3 kg.4 Phƣơng pháp nghiên cứu. Để hoàn thành muc đích nghiên cứu, người thực hiện sử dụng chủ yếu phương pháp nghiên cứu tài liệu.Với phương pháp này, người thực hiện tập trung đi vào các vấn đề sau: tìm kiếm, tham khảo các tài liệu và trang web liên quan về các phương pháp đo lường và kiểm tra độ bọt, tham khảo phương pháp lập trình với Visual studio, giao tiếp máy tính thông qua cổng COM (RS-232). HVTH: Huỳnh Thanh Tuấn Trang 5 Chương 2 GVHD: TS.

Huỳnh Nguyễn Hoàng CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hiện trạng kỹ thuật 2.1 Lịch sử phát triển đúc áp lực Những trường hợp về đúc áp lực đầu tiên đã thực hiện vào năm 1808. Năm 1849, một bằng sáng chế được trao cho Sturges về máy ép bằng tay đầu tiên dùng để đúc máy in. Phương pháp sản xuất này đã được định hướng cho loại máy in của 20 năm sau, nhưng sự phát triển của các hình dạng khác nhau bắt đầu tăng nhanh vào cuối thế kỷ. Vào năm 1882, những ứng dụng thương mại bao gồm những bộ phận của máy hát và máy đếm tiền, được sản xuất hàng loạt với nhiều kiểu dáng đã được bắt đầu vào những đầu thế kỷ 20.

Hợp kim đúc đầu tiên khi đó là các hợp chất khác nhau giữa thiếc và chì, nhưng việc sử dụng chúng giảm dần với việc phát triển của hợp kim kẽm và hợp kim nhôm vào năm 1914. Hợp kim Mangiê và hợp kim đồng nhanh chóng được ứng dụng theo sau, và trước những năm 1930, nhiều hợp kim mới đã được ra đời và được sử dụng cho đến ngày nay. Quá trình đúc áp lực đã được phát triển trên cơ sở phương pháp đúc áp lực thấp cho đến các kỹ thuật cao hơn bao gồm: đúc áp lực cao ( với áp lực hơn 300bar), đúc ép và đúc bán lỏng sẽ tạo ra các vật đúc có hình dáng cũng như bề mặt tốt hơn.2 Nguyên lý làm việc của đúc áp lực và chất lƣợng vật đúc Đúc áp lực là phương pháp chế tạo vật đúc có năng suất cao, có điều kiện tự động hóa hoàn toàn, độ chính xác và độ bóng bề mặt vật đúc rất cao. Hiện nay sản lượng các vật đúc được chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực chiếm tỉ trọng tương đối lớn trong các phương pháp đúc đặc biệt.

HVTH: Huỳnh Thanh Tuấn Trang 6 Chương 2 GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 2.1 Nguyên lý làm việc Hình 2.1 Nguyên lý làm việc của đúc áp lực Hình trên trình bày nguyên lý làm việc của phương pháp đúc áp lực : kim loại lỏng được rót vào buồng ép 3 bằng cốc rót 10. Sau đó xilanh thủy lực 1 vận hành, piston 2 ép kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn 8. Toàn bộ quá trình điền đầy khuôn xảy ra trong vòng vài phần mười đến vài phần trăm giây.

Áp suất ép lên kim loại mỏng có thể từ vài trăm đến vài nghìn bar. Sau khi vật đúc đông đặc, khuôn di động 5 mang theo vật đúc rời khuôn cố định 4, sau đó vật đúc được đẩy ra khỏi khuôn di động nhờ các chốt đẩy 6. Quy trình đúc áp lực được chia làm 3 giai đoạn : - Giai đoạn 1 : Trước khi điền đầy khuôn ( giai đoạn rót và kim loại chuyển động trong buồng ép). HVTH: Huỳnh Thanh Tuấn Trang 7 Chương 2 GVHD: TS.

Huỳnh Nguyễn Hoàng - Giai đoạn 2 : Điền đầy khuôn. - Giai đoạn 3 : Làm nguội trong khuôn.2 Chất lƣợng của vật đúc Chất lượng của vật đúc được đánh giá theo 4 chỉ tiêu cơ bản : độ chính xác về kích thước, độ bóng bề mặt, độ sít chặt ( độ xốp), cơ tính. Độ chính xác về kích thƣớc Độ chính xác về kích thước của vật đúc phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, sau đây là một số yếu tố cơ bản : - Chất lượng gia công và lắp ráp khuôn. - Độ kín giữa nửa khuôn động và nửa khuôn tĩnh trong quá trình kim loại điền đầy hốc khuôn.

- Tính ổn định của quá trình công nghệ. - Đặc điểm về cơ tính của hợp kim đúc,… b. Độ bóng bề mặt Độ bóng bề mặt của vật đúc phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng gia công bề mặt khuôn. Việc mòn khuôn ảnh hưởng rất lớn đến độ bóng bề mặt vật đúc.

Độ xốp Độ xốp của vật đúc là do nguyên nhân : sự co rút của vật đúc, khí lẫn vào vật đúc,. Rỗ khí và bọt khí theo hình dạng bên ngoài không khác nhiều so với rỗ co. Chúng không chỉ xuất hiện ở tâm vật đúc mà có thể ở gần lớp bề mặt. Những bọt to làm giảm độ bền và độ sít chặt của vật đúc, bọt nhỏ tạo hiện tượng “ rộp” khi nung vật đúc.

Bọt khí, ở một mức độ nhất định, làm hạn chế phạm vi sử dụng của phương pháp đúc áp lực, đặc biệt với các hợp kim cần nhiệt luyện ở nhiệt độ cao. HVTH: Huỳnh Thanh Tuấn Trang 8 Chương 2 GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng d. Cơ tính Cơ tính phụ thuộc nhiều vào chiều dày thành vật đúc.

Điều này được giải thích là do sự không đồng đều về cấu trúc theo tiết diện vật đúc.3 Giới thiệu một số phƣơng pháp kiểm tra đánh giá và đo lƣờng độ bọt 2.1 Phƣơng pháp Archimedes Đây là phương pháp xuất hiện sớm nhất nhưng hiệu quả của nó cũng không kém so với các phương pháp hiện đại ra đời sau này. Trong phương pháp này, như hình 2.2, mẫu đo được nhúng vào chất lỏng đã biết trước khối lượng riêng và ở nhiệt độ xác định, bằng cách đo lường lực đẩy Archimedes thì thể tích của vật đo được xác định.2 Thí nghiệm của phương pháp Archimedes Dụng cụ thí nghiệm bao gồm một cân cơ khí hay cân điện để treo mẫu đo và nhúng nó vào bể chứa chất lỏng. Sợi dây để treo vật đo từ cân tới bể chứa chất lỏng phải đủ mỏng và đảm bảo về chiều dài, để không ảnh hưởng đền kết quả đo vật mẫu. HVTH: Huỳnh Thanh Tuấn Trang 9 Chương 2 GVHD: TS.

Huỳnh Nguyễn Hoàng Các lỗ trống trong mẫu đo bao gồm 2 loại : lỗ trồng kín và lỗ trống hở. Tùy thuộc vào kích thước của chúng mà chất lỏng dùng trong thí nghiệm có thể khuếch tán vào trong vật đo hay không. Trong một vài trường hợp, chất lỏng thí nghiệm không thế ngấm vào các lỗ trống do đó là lỗ trống kín. Đối với các vật liệu xốp hay Polyme thì có những khe hở tách biệt nhau do mật độ mạng dày đặc.

Hầu hết các lỗ trống là các lỗ trống kín. Đối với các chất hữu cơ do mạng tinh thể của chúng linh hoạt nên các lỗ trống hình thành là các lỗ trống hở, nhưng trong thực tế do phân tử của không khí nhỏ hơn nên vẫn có sự hình thành các lỗ trống kín bên trong do không khí tạo ra.3 Các dạng lỗ khí Bên cạnh những ưu điểm, phương pháp Archimedes cũng có những hạn chế nhất định như : khó khăn trong việc kiểm tra những chi tiết đúc có kích thước lớn, chỉ có kết quả hữu hiệu khi được tiến hành trong phòng thí nghiệm,… Để khắc phục những hạn chế trên nên các phương pháp đo lường và kiểm tra khác đã được ra đời.2 Phƣơng pháp kiểm tra độ bọt thông qua độ cứng của vết lõm bề mặt ( Hardness Indentation ) Bulychev và Alkhin đã phát triển một phương pháp kiểm tra độ bọt bằng cách sử dụng các thông số của phương pháp đo độ cứng thông qua vết lõm. Phương pháp này có thể giúp cho ta đánh giá cả độ bọt khí và những đặc tính về sự phân bố kích thước của các lỗ khí. Việc đánh giá độ bọt dựa trên khả năng chịu nén và HVTH: Huỳnh Thanh Tuấn Trang 10 Chương 2 GVHD: TS.

Huỳnh Nguyễn Hoàng modul đàn hồi của vật liệu. Thông qua những thông số trong quá trình nén người ta xác định mối liên hệ với độ bọt của vật liệu. Những thông số này không những phụ thuộc vào sự phân bố kích thước của các lỗ khí. Phương pháp này tạo ra những thuận lợi cho việc kiểm tra độ bọt và cả việc đo cơ tính của vật liệu cùng một lúc.

Toàn bộ thuộc tính của một vật liệu phức tạp có thể xác định thông qua một mẫu thử.3 Phƣơng pháp kiểm tra độ bọt bằng máy quét điện tử ( Scanning Electron Microscopy) Là phương pháp kiểm tra độ bọt thông qua quá trình xử lý ảnh. Thiết bị bao gồm kính hiển vi điện tử và một máy chụp ảnh X quang. Hình sau sẽ biểu diễn chi tiết tiết diện của mô hình 3D được chụp lại bằng phương pháp này.4 Ảnh chụp lỗ khí Ảnh được xử lý bằng cách tô bóng ở mức độ cao hay trung bình phụ thuộc vào độ rõ nét của ảnh. Sau đó căn cứ vào tỉ lệ giữa 2 màu đen trắng trên ảnh mà máy tính tính toán ra độ bọt của chi tiết.

HVTH: Huỳnh Thanh Tuấn Trang 11 Chương 2 GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 2.4 Đo độ bọt bằng phƣơng pháp kĩ thuật số ( Direct Digital Method ) Để đáp ứng cho nhu cầu xác định chính xác độ bọt của những vật ( chi tiết) nhỏ, có khối lượng cỡ 1 gam thì phương pháp dùng cảm biến đo độ bọt đã được ra đời. Phương pháp này sử dụng một cảm biến điện có độ tự cảm biến điện dung có độ tự cảm phụ thuộc vào tinh thể của vật đo, tần số phụ thuộc vào thể tích vật đo. Với phương pháp này, việc xác định độ bọt của vật đo chính xác hơn rất nhiều so với các phương pháp trước đây, cụ thể là đo được độ bọt thay đổi trong vòng nhỏ hơn 0.1% với phạm vi nhiệt độ thay đổi từ 10 30 .