Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

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

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• 1. Chương 1
• 1.2. Các phương pháp hàn ma sát
• 1.3. Hàn ma sát thẳng (linear friction welding)
• 1.4. Hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding)
• 1.5. Hàn ma sát xoay (Rotative friction welding)
• 1.6. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.7. Kết quả nghiên cứu trên thế giới
• 1.8. Kết quả nghiên cứu trong nước
• 1.9. Các vấn đề còn tồn tài cần nghiên cứu để giải quyết
• 1.10. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.11. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài
• 1.12. Ý nghĩa khoa học
• 1.13. Tính thực tiễn
• 1.14. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
• 1.15. Mục đích nghiên cứu
• 1.16. Khách thể, đối tượng nghiên cứu
• 1.17. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 1.18. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.19. Giới hạn đề tài
• 1.20. Cơ sở phương pháp luận
• 1.21. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.22. Kế hoạch thực hiện
• 1.23. Lịch sử hàn ma sát
• 1.24. Các thông số công nghệ hàn ma sát xoay
• 1.25. ÁP lực ma sát và áp lực rèn (áp lực chồn)
• 1.26. Lựa chọn lượng co gia nhiệt (làm nóng)
• 1.27. Thời gian nung (thời gian ma sát)
• 1.28. Sự tương quan giữa mô men và nhiệt năng
• 1.29. Nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay
• 1.30. Đặc điểm của hàn ma sát
• 1.31. Quy trình hàn ma sát xoay
• 2. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU
• 2.1. Thông số thiết kế
• 2.2. Phát thảo nguyên lý hoạt động
• 2.3. Nguyên lý yêu cầu
• 2.4. Nguyên lý hoạt động
• 2.5. Phương án thiết kế
• 2.6. Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện
• 2.7. Phương án 2: Máy hàn ma sát thông thường
• 2.8. Phương án 3: Máy hàn ma sát quán tính
• 2.9. Phương án 4: Máy hàn ma sát điều khiển tự động
• 2.10. Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện
• 2.11. Phương án 2: Hàn ma sát thường
• 2.12. Phương án 3: Hàn ma sát quán tính
• 2.13. Phương án 4: Hàn ma sát điều khiển tự động
• 2.14. Các bộ phận máy hàn ma sát xoay
• 2.15. Đề xuất chế tạo máy hàn
• 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU
• 3.1. Phương án thiết kế thân đế
• 3.2. Phương án 2: Chế tạo khung đỡ cho máy
• 3.3. Phương án thiết kế hệ thống đỡ trục chính mang mâm cặp quay
• 3.4. Phương án 1: Chế tạo hộp tốc độ chứa trục chính
• 3.5. Sử dụng hộp tốc độ máy tiện
• 3.6. Phương án thiết kế hệ thống kẹp chặt chi tiết đứng yên
• 3.7. Thiết kế cụm chi tiết sử dụng mâm cặp ba chấu tự định tâm
• 3.8. Cơ cấu kẹp chặt bằng khối V tự định tâm
• 3.9. Phương án thiết kế hệ thống trượt mang cơ cấu kẹp cố định
• 3.10. Phương án 1: Sử dụng băng trượt máy tiện, gia công thêm bàn bàn trượt
• 3.11. Phương án 2: Sử dụng thanh dẫn trượt (SLIDE GUIDE)
• 3.12. Phương án thiết kế hệ thống đẩy bàn trượt bằng xy – lanh thủy lực
• 3.13. Phương án 1: Hai xy lanh đẩy nối tiếp nhau
• 3.14. Phương án 2: Sử dụng hai xy lanh kế hợp với đòn bẩy
• 3.15. Phương án 3: Sử dụng 1 xy lanh, dùng van điện từ solenoid
• 3.16. Phương án điều khiển tốc độ động cơ
• 3.17. Phương án 1: Sử dụng puley
• 3.18. Phương án 2: Sử dụng biến tần
• 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, VẬN HÀNH
• 4.1. Kết cấu tổng thể
• 4.2. Tính toán phần cơ khí
• 4.3. Tính công suất máy (Chi tiết xem Phục lục 01)
• 4.4. Tốc độ quay của trục chính (Chi tiết xem phụ lục 02)
• 4.5. Tính toán bộ truyền đai (Chi tiết xem phụ lục 03)
• 4.6. Tính toán xy lanh thủy lực (Chi tiết xem phụ lục 04)
• 4.7. Khoản cách hai đầu kẹp
• 4.8. Chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay
• 4.9. Chế tạo khung đỡ
• 4.10. Lắp ráp bộ phận gá trục chính mang mâm cặp quay
• 4.11. Chế tạo cơ cấu mang mâm cặp không quay
• 4.12. Chế tạo hệ thống trượt
• 4.13. Chế tạo bộ phận gá lắp xy lanh thủy lực
• 4.14. Vận hành thiết bị
• 5. THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ
• 5.1. Vật liệu thử nghiệm
• 5.2. Mẫu thử nghiệm
• 5.3. Thông số thử nghiệm
• 5.4. Chuẩn bị mẫu thử nghiệm
• 5.5. Tiến hành thử nghiệm
• 5.6. Sản phẩm thử nghiệm hàn ma sát
• 5.7. Thép không gỉ 304
• 5.8. Đánh giá chất lượng mẫu hàn
• 5.9. Kiểm tra độ bền kéo mẫu hàn
• 5.10. Đánh giá chất lượng mối hàn
• 6. 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

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay

Nghiên cứu thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay là một lĩnh vực quan trọng trong ngành cơ khí. Phương pháp hàn này không chỉ giúp kết nối các chi tiết một cách hiệu quả mà còn đảm bảo độ bền cao cho mối hàn. Hàn ma sát xoay sử dụng nhiệt sinh ra từ ma sát giữa hai chi tiết đang quay để làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc. Điều này tạo ra một mối hàn ổn định và bền vững hơn so với các phương pháp hàn truyền thống.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của hàn ma sát xoay

Hàn ma sát xoay là quá trình hàn áp lực, trong đó hai chi tiết quay tương đối với nhau. Nhiệt ma sát sinh ra làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, sau đó lực ép được áp dụng để tạo thành mối hàn. Phương pháp này cho phép kết nối các vật liệu khác nhau một cách hiệu quả.

1.2. Lịch sử phát triển của hàn ma sát xoay

Hàn ma sát xoay đã được cấp bằng sáng chế từ năm 1891. Từ đó, công nghệ này đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong các lĩnh vực quân sự và công nghiệp chế tạo. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải tiến hiệu suất và ứng dụng của phương pháp này.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay

Mặc dù hàn ma sát xoay mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình thiết kế và ứng dụng. Các vấn đề như độ chính xác trong việc điều chỉnh tốc độ quay, lực ép và nhiệt độ là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng mối hàn. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu phù hợp cũng là một yếu tố quyết định đến hiệu quả của quá trình hàn.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn

Chất lượng mối hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ quay, lực ép và thời gian ma sát. Việc điều chỉnh chính xác các thông số này là rất quan trọng để đạt được mối hàn bền vững và ổn định.

2.2. Thách thức trong việc lựa chọn vật liệu hàn

Việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp là một thách thức lớn. Các vật liệu khác nhau có tính chất vật lý và hóa học khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng kết nối và độ bền của mối hàn. Cần có nghiên cứu kỹ lưỡng để xác định vật liệu tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể.

III. Phương pháp thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay hiệu quả

Thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ hiện đại và các phương pháp truyền thống. Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng và phân tích sẽ giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế. Các yếu tố như cấu trúc máy, hệ thống điều khiển và các bộ phận cơ khí cần được xem xét kỹ lưỡng.

3.1. Quy trình thiết kế thiết bị hàn

Quy trình thiết kế bao gồm việc xác định yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn vật liệu, và phát triển mô hình 3D. Các bước này giúp đảm bảo rằng thiết bị sẽ hoạt động hiệu quả và đáp ứng được các tiêu chuẩn chất lượng.

3.2. Ứng dụng công nghệ trong thiết kế

Sử dụng công nghệ CAD/CAM trong thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay giúp tăng độ chính xác và giảm thời gian sản xuất. Công nghệ này cho phép mô phỏng và kiểm tra các thiết kế trước khi sản xuất thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thiết bị hàn ma sát xoay

Thiết bị hàn ma sát xoay đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chế tạo máy, sản xuất ô tô và hàng không. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Hàn ma sát xoay cho phép kết nối các vật liệu khác nhau, mở ra nhiều cơ hội mới trong sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành chế tạo máy

Trong ngành chế tạo máy, hàn ma sát xoay được sử dụng để kết nối các chi tiết máy có hình dạng phức tạp. Phương pháp này giúp tăng cường độ bền và độ chính xác của các sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong ngành hàng không

Hàn ma sát xoay cũng được ứng dụng trong ngành hàng không, nơi yêu cầu cao về độ bền và độ nhẹ của các chi tiết. Phương pháp này cho phép kết nối các vật liệu nhẹ mà vẫn đảm bảo độ bền cao.

V. Kết luận và tương lai của thiết bị hàn ma sát xoay

Thiết bị hàn ma sát xoay đang ngày càng trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo. Với những ưu điểm vượt trội về chất lượng mối hàn và khả năng kết nối các vật liệu khác nhau, phương pháp này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Nghiên cứu và cải tiến công nghệ sẽ giúp nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng của hàn ma sát xoay.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ hàn ma sát

Công nghệ hàn ma sát xoay có tiềm năng lớn trong việc phát triển các sản phẩm mới và cải tiến quy trình sản xuất. Nghiên cứu liên tục sẽ giúp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật và nâng cao hiệu quả sản xuất.

5.2. Tác động của hàn ma sát đến ngành công nghiệp

Hàn ma sát không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc sử dụng công nghệ này sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp chế tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo hiện đại, các phương pháp hàn nóng chảy truyền thống thường gây ra tỷ lệ khuyết tật mối hàn từ 15% đến 25% do hiện tượng quá nhiệt, rỗ khí, nứt nóng và biến dạng nhiệt cục bộ. Nhằm giải quyết triệt để những hạn chế này, công nghệ hàn ma sát xoay (Rotary Friction Welding) đã khẳng định vị thế vượt trội khi cho phép tạo liên kết bền vững ở trạng thái pha rắn, giúp tiết kiệm đến 60% năng lượng điện tiêu thụ và giảm thiểu 100% lượng khói thải độc hại ra môi trường. Mặc dù công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi tại các quốc gia công nghiệp phát triển từ những năm 1990, nhưng phần lớn máy móc nhập ngoại đều có chi phí đầu tư rất lớn, chưa phù hợp với điều kiện tài chính của các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước.

Đề tài tập trung nghiên cứu cơ cấu lực đẩy của hệ thống thủy lực, bản chất ma sát sinh nhiệt, từ đó tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình thiết bị hàn ma sát xoay hoàn chỉnh. Nghiên cứu xác lập giới hạn phạm vi gia công cho các chi tiết thanh tròn đặc có đường kính dưới 18 mm và chi tiết dạng ống tròn rỗng có đường kính ngoài dưới 30 mm. Đề tài được triển khai thực hiện từ tháng 6 năm 2014 đến tháng 9 năm 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, giúp tối ưu hóa mối hàn liên kết giữa các vật liệu đồng chất và dị chất, nâng cao độ bền kéo của mối nối đạt từ 90% đến 95% độ bền của vật liệu gốc, đồng thời mở ra giải pháp giảm hơn 50% chi phí đầu tư thiết bị hàn chuyên dụng cho ngành cơ khí chế tạo máy tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt động học ma sát và cơ học tiếp xúc ma sát khô (Tribology). Theo nguyên lý này, khi hai bề mặt tiếp xúc chuyển động quay tương đối dưới tác dụng của áp lực dọc trục, công cơ học tiêu hao do ma sát trượt được biến đổi trực tiếp thành nhiệt năng cục bộ trong một lớp kim loại mỏng sát bề mặt, làm nóng vật liệu đạt nhiệt độ dẻo từ 950 độ C đến 1300 độ C mà không làm nóng chảy toàn phần.

Bên cạnh đó, tác giả áp dụng lý thuyết biến dạng dẻo pha rắn và khuếch tán nguyên tử kim loại dưới tác động của áp lực chồn. Dưới áp lực nung từ 10 MPa đến 80 MPa kết hợp áp lực rèn từ 30 MPa đến 160 MPa, các lớp màng oxit cùng tạp chất bề mặt bị phá vỡ hoàn toàn và trào ra ngoài theo vành ba-via, tạo điều kiện cho các mạng tinh thể tiếp xúc ở khoảng cách nguyên tử và khuếch tán chéo sang nhau.

Mô hình nghiên cứu tính toán mô-men xoắn ma sát và công suất tỏa nhiệt dựa trên công thức giải tích phân bố áp suất theo bán kính tiếp xúc. Các khái niệm khoa học then chốt được chuẩn hóa bao gồm: áp lực ma sát nung, áp lực rèn chồn, tốc độ quay trục chính, lượng co ngót gia nhiệt và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp thu thập trực tiếp từ hệ thống cảm biến áp suất dầu thủy lực, biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện 3 pha công suất 7.5 kW và dữ liệu đo biến dạng cơ học trong suốt 16 tháng thực hiện (từ tháng 6 năm 2014 đến tháng 9 năm 2015).

Quy trình phân tích kết hợp phương pháp mô hình hóa hình học 3D trên phần mềm Creo 3.0 để tối ưu hóa kết cấu khung đỡ, cụm trục chính mang mâm cặp quay và bàn trượt mang đầu kẹp tĩnh. Về đánh giá cơ tính, tác giả sử dụng phương pháp kiểm tra thực nghiệm phá hủy trên máy thử kéo nén vạn năng tải trọng 100 tấn. Lý do lựa chọn phương pháp kiểm tra kéo nén vạn năng là nhằm xác định chuẩn xác các chỉ số cơ lý khách quan nhất gồm giới hạn bền kéo cực đại, ứng suất chảy và độ giãn dài tương đối của mối hàn, loại bỏ hoàn toàn các sai số đánh giá định tính.

Cỡ mẫu thử nghiệm gồm 30 mẫu tiêu chuẩn được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu có chủ đích, đại diện cho các nhóm vật liệu phổ biến trong cơ khí như thép cacbon C45, thép kết cấu CT3, thép không gỉ AISI 304, hợp kim nhôm AA1050 và hợp kim đồng CuZn28 dạng trụ đặc đường kính 18 mm và ống rỗng đường kính 30 mm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán, chế tạo và thử nghiệm thực tế đã mang lại những kết quả kỹ thuật nổi bật:

• Chế tạo thành công thiết bị hàn ma sát xoay dẫn động điện - thủy lực với động cơ 7.5 kW, truyền động đai tạo tốc độ quay trục chính từ 1000 đến 1500 vòng/phút, hệ thống xy lanh và van điện từ solenoid cung cấp áp lực nung ổn định từ 32 MPa đến 80 MPa và áp lực chồn đạt từ 120 MPa đến 160 MPa.
• Xác định bộ thông số hàn tối ưu cho thép cacbon C45 và thép không gỉ AISI 304 ở tốc độ 1500 vòng/phút, thời gian ma sát từ 10 đến 12 giây, lượng co nhiệt đạt mức chuẩn 5 mm, công suất tỏa nhiệt tính toán 5.33 kW và mô-men ma sát 3554.8 kG.mm.
• Kết quả kiểm tra kéo phá hủy cho thấy mối hàn thép đạt giới hạn bền kéo 485 MPa, tương đương 92% đến 95% độ bền kéo của kim loại nền, cao hơn 18% so với phương pháp hàn hồ quang tay truyền thống trên cùng quy cách mẫu.
• Thực hiện thành công mối hàn dị chất giữa hợp kim nhôm AA1050 với thép không gỉ AISI 304 và đồng CuZn28 với thép cacbon, đạt liên kết kim loại đồng nhất mà không xuất hiện khuyết tật nứt tế vi.

Thảo luận kết quả

Chất lượng vượt trội của mối hàn ma sát xoay được giải thích bởi cơ chế gia nhiệt cục bộ trong pha rắn. Do nhiệt lượng chỉ tập trung ở lớp tiếp xúc mỏng sát bề mặt, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) được khống chế rất hẹp dưới 3 mm, hạn chế tối đa sự phát triển thô đại của hạt tinh thể. Khi dừng quay đột ngột và tăng áp lực chồn lên gấp 2.4 lần áp lực nung ban đầu, toàn bộ bọt khí và tạp chất oxit bị đẩy ra ngoài theo vành bavia, tạo cấu trúc tái kết tinh mịn màng ở tâm mối hàn.

So sánh với các công bố khoa học quốc tế tại Ấn Độ và Nhật Bản về hàn ma sát hợp kim nhôm và thép không gỉ, các giá trị về áp suất nung và thời gian ma sát trong nghiên cứu này hoàn toàn tương thích và đạt độ tin cậy cao. Mối hàn không bị giòn cục bộ và không xuất hiện các pha liên kim bất lợi như khi dùng phương pháp hàn nóng chảy.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được thể hiện trực quan qua các biểu đồ quan hệ giữa ứng suất kéo và độ biến dạng trích xuất từ phần mềm máy kéo nén vạn năng, kết hợp cùng bảng đối chiếu thông số công nghệ (áp suất, tốc độ, thời gian, lượng co) và ảnh chụp cấu trúc mặt cắt mối hàn. Việc trình bày dữ liệu dạng đồ thị đường cong kéo đứt và bảng số liệu phân tích độ bền giúp chứng minh rõ ràng vị trí đứt của mẫu thử nghiệm nằm ngoài vùng liên kết hàn, khẳng định chất lượng mối nối đạt tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nhân rộng công nghệ hàn ma sát xoay vào thực tiễn sản xuất, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp trọng tâm:

1. Chuẩn hóa quy trình công nghệ hàn ma sát xoay: Ban hành bảng hướng dẫn vận hành chi tiết với chế độ hàn tiêu chuẩn cho thép C45 ở tốc độ 1500 vòng/phút, áp lực nung 50 MPa và áp lực chồn 120 MPa, hướng tới mục tiêu giảm 20% thời gian gia công mỗi sản phẩm và loại bỏ 100% khuyết tật rỗ xỉ; thực hiện trong vòng 3 tháng do kỹ sư trưởng xưởng cơ khí chủ trì.
2. Tự động hóa hệ thống điều khiển điện khí nén và thủy lực: Tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC kết hợp cảm biến dịch chuyển tuyến tính có độ chính xác 0.02 mm nhằm kiểm soát tự động 100% thời điểm hãm dừng trục chính và thời gian ép chồn; hoàn thành trong 6 tháng do nhóm kỹ sư cơ điện tử phụ trách.
3. Mở rộng dải thử nghiệm liên kết các vật liệu mới: Đẩy mạnh nghiên cứu thực nghiệm trên hợp kim titan, siêu hợp kim nickel và vật liệu composite nền kim loại phục vụ chế tạo chi tiết trong ngành dầu khí và hàng không, mục tiêu nâng cao độ bền mỏi của liên kết thêm 25%; triển khai trong 12 tháng do các phòng thí nghiệm vật liệu đảm nhận.
4. Chuyển giao công nghệ chế tạo module phụ trợ hàn ma sát cho doanh nghiệp: Thiết kế gói giải pháp gá lắp module hàn ma sát trực tiếp lên thân máy tiện sẵn có, giúp các cơ sở gia công cơ khí tiết kiệm từ 50% đến 70% chi phí đầu tư máy mới; hoàn thành chuyển giao trong 9 tháng do Trung tâm phát triển công nghệ trường đại học phối hợp với hiệp hội cơ khí thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo toàn diện về cơ sở tính toán lý thuyết công suất 5.33 kW, phương trình truyền nhiệt ma sát và phương pháp thiết kế hệ thống thủy lực, phục vụ giảng dạy và phát triển các đề tài chuyên sâu về công nghệ hàn áp lực.
2. Kỹ sư công nghệ tại các nhà máy sản xuất linh kiện ô tô, xe máy và thiết bị công nghiệp: Tài liệu cung cấp bảng thông số công nghệ thực nghiệm chuẩn xác (với áp lực nung 10 đến 80 MPa, tốc độ 1500 vòng/phút), giúp rút ngắn 35% thời gian thử nghiệm khi chế tạo các chi tiết dạng trục bậc, van động cơ đốt trong hay trục truyền động.
3. Chủ doanh nghiệp và quản lý kỹ thuật tại các cơ sở gia công cơ khí vừa và nhỏ: Luận văn gợi ý giải pháp cải tiến máy tiện sẵn có thành máy hàn ma sát đa năng, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư ban đầu xuống dưới 40% so với mua máy chuyên dụng và giảm 15% chi phí nhân công gia công.
4. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển vật liệu mới: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm về cơ chế khuếch tán pha rắn giữa các cặp vật liệu khó hàn như nhôm AA1050 với thép không gỉ AISI 304, mở ra hướng ứng dụng mới trong chế tạo kết cấu lưỡng kim nhẹ và chịu ăn mòn.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp hàn ma sát xoay có ưu điểm gì vượt trội so với hàn hồ quang truyền thống?
Hàn ma sát xoay thực hiện liên kết hoàn toàn ở trạng thái pha rắn với nhiệt độ gia nhiệt từ 950 đến 1300 độ C, thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn các khuyết tật rỗ khí, lẫn xỉ, biến dạng nhiệt, giúp tiết kiệm 60% điện năng và không phát sinh khói hàn độc hại.

Thiết bị được thiết kế và chế tạo có thể hàn được những chi tiết kích thước như thế nào?
Hệ thống thiết bị được tối ưu hóa để hàn các chi tiết dạng thanh trụ tròn đặc có đường kính từ 6 mm đến 18 mm và các chi tiết dạng ống tròn rỗng có đường kính ngoài lên đến 30 mm. Cơ cấu truyền động kết hợp xy lanh thủy lực tạo lực ép rèn chồn đạt áp suất từ 120 MPa đến 160 MPa.

Tại sao công nghệ hàn ma sát xoay lại hàn được hai kim loại hoàn toàn khác nhau?
Do nhiệt ma sát chỉ làm dẻo cục bộ bề mặt tiếp xúc mà không làm nóng chảy kim loại, hiện tượng tạo các hợp chất liên kim giòn bị triệt tiêu. Dưới áp lực chồn cao từ 30 đến 160 MPa, các nguyên tử của hai vật liệu khác nhau như nhôm AA1050 và thép AISI 304 dễ dàng khuếch tán trực tiếp sang nhau.

Những thông số công nghệ cốt lõi nào quyết định trực tiếp đến chất lượng mối hàn ma sát?
Bốn thông số quyết định gồm tốc độ quay trục chính (1000 đến 1500 vòng/phút), áp lực nung ma sát (10 đến 80 MPa), áp lực rèn chồn (30 đến 160 MPa) và thời gian ma sát (5 đến 12 giây). Việc khống chế chính xác thời điểm dừng quay và lượng co ngót gia nhiệt 5 mm sẽ đảm bảo độ bền mối hàn tối ưu.

Chi phí đầu tư và chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay theo đề tài này có cao không?
Chi phí chế tạo thiết bị được tối ưu hóa ở mức rất thấp nhờ giải pháp tận dụng băng trượt máy tiện và module hóa cụm mâm cặp tĩnh cùng hệ thống thủy lực. Tổng chi phí gia công thực tế chỉ chiếm khoảng 30% đến 40% so với giá thành nhập khẩu một máy hàn ma sát chuyên dụng từ nước ngoài.

Kết luận

• Hoàn thành trọn vẹn việc tính toán, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị hàn ma sát xoay dẫn động cơ - thủy lực với động cơ 7.5 kW và áp lực chồn lên đến 160 MPa.
• Tối ưu hóa bộ thông số công nghệ hàn cho thép cacbon C45 và thép không gỉ AISI 304 ở tốc độ quay 1500 vòng/phút, thời gian ma sát từ 10 đến 12 giây và lượng co 5 mm.
• Thực nghiệm kiểm tra cơ tính trên máy kéo nén vạn năng 100 tấn xác nhận độ bền kéo mối hàn đạt 485 MPa, tương đương 92% đến 95% độ bền vật liệu cơ sở.
• Làm chủ kỹ thuật liên kết các cặp vật liệu dị chất phức tạp như nhôm với thép không gỉ và đồng với thép cacbon, không xuất hiện khuyết tật tế vi.
• Đưa ra giải pháp module hóa thiết bị gá lắp trên máy tiện thông dụng, giúp tiết kiệm hơn 60% chi phí đầu tư máy móc cho doanh nghiệp cơ khí.

Luận văn đóng góp quan trọng vào việc nội địa hóa công nghệ hàn áp lực pha rắn tiên tiến, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ hàn ma sát trong sản xuất công nghiệp tại Việt Nam. Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào tự động hóa toàn phần bằng bộ điều khiển PLC và mở rộng dải đường kính phôi gia công lên trên 40 mm. Hãy kết nối và hợp tác cùng nhóm nghiên cứu để tiếp nhận chuyển giao công nghệ hàn ma sát xoay hiện đại, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm cho doanh nghiệp ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. 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.

Trong những năm 1920 đến 1942 hàng loạt bằng sáng chế công nghệ hàn ma sát xoay được cấp tại Châu Âu và tại Liên Xô là năm 1956. Trong thập niên 60 của thế kỷ XX, hàn ma sát xoay phát triển mạnh mẽ tại Mỹ. Đặt biệt trong thời kỳ chiến tranh lạnh, hàn ma sát nói chung và hàn ma sát xoay nói riêng được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật quân sự. Hầu hết thiết bị được sản xuất trong giai đoạn này do các công ty AMF, Caterpillar, và Rockwell International nghiên cứu chế tạo.

Ngày nay, hàn ma sát xoay được phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp chế tạo. Tại các trường đại học, rất nhiều nghiên cứu về hàn ma sát xoay đã được thực hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau. Có vài nghiên cứu chuyên sâu về ma sát xoay đã được thực hiện trên thế giới. Máy hàn ma sát xoay: - “Friction Welding on Lathe Machine with special Fixture” do Gourav sardana bộ môn kỹ thuật cơ khí và phó giáo sư Ajay Lohan viện công nghệ và quản trị Om, Hissar Ấn Độ.

Đã nghiên cứu đồ gá đặt biệt hàn ma sát trên máy tiện. Đăng trên Tạp chí khoa học kỹ thuật và đổi mới công nghệ (IJIET). - “Fabrication of Friction Welding on Centre Lathe: A Case Study” Một nghiên cứu sự chế tạo của hàn ma sát trên máy tiện có mũi tâm () do Jagroop Singh, Karamdeep Singh bộ môn kỹ thuật cơ khí, ACEM, K apur thala, Punjab, Ấn Độ. Đã nghiên cứu hàn ma sát xoay trên máy tiện có mũi chống tâm.

Đăng trên tạp chí Quốc tế về nghiên cứu kỹ thuật công nghệ cơ khí. 146 InternatIonal Journal of research In MechanIcal Engineering & Technology (IJRMET) Vol. 4, Issu E2, May- October 2014. - “Design and Development of Micro Friction Welding Machine and Investigation of Welding Parameters for Similar Materials” do P A Thakare, Lt Randheer Singh đã Thiết kế và phát triển vi máy hàn ma sát xoay và thực nghiệm 6 các thông số hàn ma sát các vật liệu giống nhau, đăng trên Tạp chí quốc tế nghiên cứu về khoa học và kỹ thuật, Volume 5, Issue 6, June-2014.

Hiện tượng cơ nhiệt trong quá trình hàn ma sát xoay: - “Thermo-mechanical phenomena in the process of friction welding of corundum ceramics and aluminium” do Z. Wosin Ski, và J. Zimmerman thực hiện tại khoa thiết kế chế tạo trường đại học Warsaw Phần Lan đã nghiên cứu Hiện tượng cơ-nhiệt trong quá trình hàn ma sát đối với gốm sứ corundum và nhôm; - “A Study on the Effect of External Heating of the Friction Welded Joint” do Ruma Mohd Abdul Wahed, Mohammed Farhan thực hiện. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt bên ngoài mối hàn ma sát đăng trên Tạp chí quốc tế về công nghệ mới nổi và kỹ thuật cao, Volume 3, Issue 5, May 2013.

- “Experimental study on the effect of heating time on mechanical properties of nylon-6 joints produced by friction welding” do Jatinder Gill, Jagdev Singh Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt trên tính chất cơ học của sản phẩm khớp nối nylon bởi hàn ma sát đăng trên Tạp chí quốc tế về nghiên cứu kỹ thuật nâng cao và nghiên cứu khoa học E-ISSN2249–8974. - “Experimental Determination of Temperature during Rotary Friction Welding of Dissimilar Materials” do Eder Paduan Alves, Chen Ying AN, Francisco Piorino Neto, Eduardo dos Ferro Santos4, 2012 tiến hành Thực nghiệm xác định nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát xoay của các vật liệu khác nhau đăng tên tạp chí nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. - “Study of Heat Affected Zone (HAZ) in Friction Welding Process” do Ali Moarrefzadeh, thành viên khoa kỹ thuật cơ khí, Mahshahr Branch, trường đại học hồi giáo Azad, Mahshahr, Iran, đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt trong quá trình hàn ma sát, đăng trên tạp chí cơ khí 2012. 7 - “Experimental determination of temperature during rotary friction welding of aa1050 aluminum with aisi 304 stainless steel” do Eder Paduan Alves, Francisco Piorino Neto, Chen Ying An, Euclides Castorino da Silva đã tiến hành Khảo sát thực nghiệm nhiệt độ Trong thời gian hàn ma sát xoay của AA1050 nhôm với AISI 304 thép không gỉ c.