Đồ án nghiên cứu thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay tại HCMUTE

Đồ án HCMUTE nghiên cứu thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay, ứng dụng trong công nghiệp chế tạo, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Nguyễn Đoàn Xuân Trường
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đặng Thiện Ngôn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• MỤC LỤC
• MỤC LỤC HÌNH ẢNH
• MỤC LỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
• 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 2.2. Tổng quan chung về hàn ma sát xoay
• 2.2.1. Định nghĩa về hàn ma sát xoay
• 2.2.2. Ưu nhược điểm của hàn ma sát xoay
• 2.3. Các kết quả nghiên cứu đã công bố trên thế giới
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Lịch sử hàn ma sát
• 3.2. Các thông số công nghệ hàn ma sát xoay
• 3.3. Nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay
• 3.4. Quy trình hàn ma sát xoay
• 3.5. Hệ thống Xy lanh – Thủy lực
• 3.5.1. Trong lĩnh vực điều khiển
• 3.5.2. Trong hệ thống truyền động
• 3.5.3. Ưu điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực
• 3.5.4. Nhược điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực
• 3.5.5. Cấu trúc của hệ thống thủy lực
• 3.5.6. Đơn vị đo các đại lượng cơ bản
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
• 4.1. Yêu cầu đề tài
• 4.2. Phương án thiết kế
• 4.2.1. Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện
• 4.2.2. Phương án 2: Máy hàn ma sát thông thường
• 4.2.3. Phương án 3: Máy hàn ma sát quán tính
• 4.2.4. Phương án 4: Máy hàn ma sát điều khiển tự động hoàn toàn
• 4.3. Lựa chọn phương án
• 4.3.1. Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện
• 4.3.2. Phương án 2: Hàn ma sát thường
• 4.3.3. Phương án 3: Hàn ma sát quán tính
• 4.3.4. Phương án 4: Hàn ma sát điều khiển tự động hoàn toàn
• 4.4. Các bộ phận máy hàn ma sát xoay
• 4.5. Chế tạo máy hàn
• 5. CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO MÔ HÌNH
• 5.1. Phương án thiết kế khung chính
• 5.2. Phương án thiết kế hệ thống đỡ trục chính và mâm cặp quay
• 5.3. Phương án thiết kế hệ thống cố kẹp chặt chi tiết đứng yên
• 5.4. Phương án thiết kế hệ thống trượt mang chi tiết
• 5.5. Phương án thiết kế hệ thống đẩy bằng xy – lanh thủy lực
• 5.6. Phương án điều khiển tốc độ động cơ
• 6. CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU
• 6.1. Kết cấu tổng thể
• 6.2. Tính toán cơ khí
• 6.2.1. Tính công suất máy
• 6.2.2. Tốc độ quay của trục chính
• 6.2.3. Tính toán bộ truyền đai
• 6.2.4. Tính toán xy lanh thủy lực
• 6.2.5. Khoảng cách hai mũi tâm
• 7. CHƯƠNG 7: QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO GIA CÔNG CHI TIẾT
• 7.1. Chế tạo khung đỡ
• 7.2. Lắp ráp bộ phận gá trục chính và mâm cặp quay
• 7.3. Chế tạo bộ phận gắn mâm cặp cố định
• 7.4. Chế tạo hệ thống trượt
• 7.5. Chế tạo bộ phận gá lắp xy lanh thủy lực
• 8. CHƯƠNG 8: KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Công nghệ hàn ma sát xoay là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc nghiên cứu và thiết kế thiết bị hàn này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu các khuyết tật thường gặp trong các phương pháp hàn truyền thống. Hàn ma sát xoay sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo. Điều này giúp tạo ra mối hàn có cơ tính tốt hơn, đồng thời tiết kiệm vật liệu và thời gian. Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một thiết bị hàn ma sát xoay tại HCMUTE, từ đó góp phần vào sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo máy.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc áp dụng công nghệ hàn ma sát xoay trở nên cần thiết. Phương pháp này không chỉ giảm thiểu chi phí sản xuất mà còn nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Hàn ma sát xoay giúp khắc phục các khuyết tật như nứt nóng, nứt nguội, và các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường do khói hàn. Việc chế tạo máy hàn ma sát sẽ tạo ra một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề này, đồng thời mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp chế tạo tại Việt Nam.

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài không chỉ có ý nghĩa trong việc phát triển công nghệ hàn mà còn góp phần vào việc nâng cao chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí. Việc nghiên cứu và thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay sẽ giúp sinh viên áp dụng lý thuyết vào thực tiễn, đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị thực tiễn cao. Công nghệ này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như chế tạo máy, sản xuất ô tô, và công nghiệp hàng không vũ trụ, từ đó thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo tại Việt Nam.

II. Tổng quan về hàn ma sát xoay

Hàn ma sát xoay là một phương pháp hàn tiên tiến, sử dụng nhiệt ma sát để nung chảy mép hàn. Phương pháp này có nhiều ưu điểm nổi bật như tiết kiệm vật liệu, thời gian hàn nhanh, và không phát xạ độc hại. Hàn ma sát xoay đã được cấp bằng sáng chế từ năm 1891 và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành công nghiệp quân sự. Nghiên cứu về hàn ma sát xoay không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn bao gồm các ứng dụng thực tiễn, từ đó tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao và giảm thiểu chi phí sản xuất.

2.1 Định nghĩa về hàn ma sát xoay

Hàn ma sát xoay là quá trình hàn áp lực, trong đó nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau được sử dụng để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo. Sau đó, lực ép được áp dụng để ép hai chi tiết lại với nhau, tạo thành mối hàn. Phương pháp này giúp giảm thiểu các khuyết tật thường gặp trong các phương pháp hàn truyền thống, đồng thời nâng cao chất lượng mối hàn.

2.2 Ưu nhược điểm của hàn ma sát xoay

Ưu điểm của hàn ma sát xoay bao gồm ít hao phí vật liệu, thời gian hàn nhanh, và không phát xạ độc hại. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm như yêu cầu thiết bị đắt tiền và không thể hàn được các kết cấu quá phức tạp. Việc hiểu rõ các ưu nhược điểm này sẽ giúp trong việc áp dụng công nghệ hàn ma sát xoay một cách hiệu quả trong sản xuất.

III. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau để đạt được mục tiêu đề ra. Phương pháp nghiên cứu tài liệu được áp dụng để thu thập thông tin từ các bài báo khoa học và tài liệu liên quan đến hàn ma sát. Phân tích số liệu và mô hình hóa cũng là những phương pháp quan trọng giúp kiểm nghiệm lý thuyết và phát triển thiết kế. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị thực tiễn cao.

3.1 Cơ sở phương pháp luận

Cơ sở phương pháp luận của đề tài dựa trên việc phân tích tình hình thực tế và nhu cầu ứng dụng công nghệ hàn ma sát trong sản xuất. Việc nghiên cứu các phương pháp hàn truyền thống và khả năng chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay là rất cần thiết để đảm bảo tính khả thi của đề tài.

3.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

Các phương pháp nghiên cứu cụ thể bao gồm nghiên cứu tài liệu, phân tích số liệu, và mô hình hóa. Nghiên cứu tài liệu giúp thu thập thông tin cần thiết, trong khi phân tích số liệu giúp đánh giá tính chính xác của các thông số kỹ thuật. Mô hình hóa là bước quan trọng để kiểm nghiệm lý thuyết và phát triển thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp này thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, được thực hiện năm 2015. Loại nghiên cứu: thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình (thiết bị cơ khí kết hợp hệ thống thủy lực).

Xuất phát điểm của đề tài là những hạn chế cố hữu của các phương pháp hàn nóng chảy truyền thống — bao gồm hàn hồ quang, hàn khí và hàn áp lực — vốn gây ra nhiều khuyết tật nghiêm trọng trên mối hàn như vết nứt nóng, nứt nguội, nứt tế vi, rỗ khí, lẫn xỉ, hàn không ngấu, lẹm chân và biến dạng hình học của chi tiết. Ngoài khuyết tật chất lượng, hàn nóng chảy còn tiêu tốn lớn điện năng, phát sinh khói độc, bức xạ tử ngoại và các chất thải gây ô nhiễm môi trường. Những bất cập này tạo ra nhu cầu thực tiễn cho việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị hàn theo nguyên lý khác, không phụ thuộc vào nhiệt độ đốt chảy vật liệu.

Tác giả xác định hàn ma sát xoay là hướng đi có tiềm năng, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ này vẫn còn xa lạ với doanh nghiệp Việt Nam và chưa có nghiên cứu nào trong nước đề xuất quy trình công nghệ hoàn chỉnh kèm thiết bị chuyên dụng cho vật liệu thông dụng.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu gồm sáu nhiệm vụ được tác giả đặt ra:

1. Tìm hiểu nguyên lý và cơ cấu hoạt động của các thiết bị hàn ma sát xoay.
2. Nghiên cứu các thông số thiết lập quá trình hàn ma sát xoay.
3. Thiết kế mô hình thiết bị bằng phần mềm CREO 3.0.
4. Thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí.
5. Nghiên cứu cách thiết lập bảng điều khiển hệ thống thủy lực.
6. Gia công, lắp ráp các chi tiết của thiết bị hàn ma sát xoay.

Đối tượng nghiên cứu là các cặp vật liệu hàn bao gồm: thép với thép, nhôm với nhôm, đồng với đồng, thép với nhôm, thép với đồng và nhôm với đồng. Về hình dạng, đề tài xét các dạng kết cấu thanh với thanh và ống với ống.

Phạm vi nghiên cứu bị giới hạn ở chi tiết có đường kính nhỏ hơn 20 mm đối với tiết diện đặc và nhỏ hơn 60 mm đối với tiết diện rỗng; quá trình hàn không điều khiển tự động toàn bộ. Do thời gian hạn chế, đề tài chưa thực hiện thử nghiệm thực tế để đánh giá toàn diện chất lượng mối hàn.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của đề tài xoay quanh nguyên lý hàn ma sát xoay — một dạng hàn áp lực sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối để nung kim loại đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép (lực rèn) để hai bề mặt khuếch tán vào nhau. Ma sát trong quá trình này là ma sát khô; nhiệt sinh ra phụ thuộc vào lực ép pháp tuyến, hệ số ma sát, vật liệu hàn và tốc độ chuyển động tương đối.

Các thông số công nghệ cốt lõi được phân tích gồm: tốc độ quay (rpm), lực ma sát (N/mm²), lực rèn/chồn (N/mm²), thời gian ma sát, thời gian hãm, thời gian rèn và chiều dài chồn (mm). Tác giả trình bày quan hệ toán học giữa mô-men xoắn và nhiệt năng sinh ra, dẫn xuất phương trình nhiệt tại bề mặt hàn theo bán kính r từ trục quay và vận tốc góc ω.

Đối với hệ thống xy lanh – thủy lực, đề tài sử dụng lý thuyết truyền động thủy lực bao gồm: áp suất thủy tĩnh (P = F/S), đơn vị đo lường theo hệ SI (Pascal, Newton, Watt), cấu trúc hệ thống thủy lực (khối nguồn, khối điều khiển dòng, cơ cấu chấp hành). Đề tài cũng so sánh hệ thống thủy lực với truyền động điện và khí nén theo các tiêu chí vận tốc, lực, độ chính xác vị trí và tính ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng ba phương pháp chính:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tra cứu bài báo khoa học quốc tế về hàn ma sát, xem phim tư liệu về công nghệ, nghiên cứu tài liệu điều khiển thủy lực.
• Phương pháp phân tích: Phân tích số liệu thông số hàn của các vật liệu, so sánh ưu nhược điểm các phương án thiết kế thông qua ma trận tiêu chí.
• Phương pháp mô hình hóa: Chế tạo mô hình vật lý để kiểm nghiệm lý thuyết và phát hiện sai lệch.

Nguồn dữ liệu gồm: tài liệu của Hiệp hội Hàn Mỹ, các bài báo khoa học đăng trên tạp chí quốc tế, số liệu thực nghiệm hàn ma sát từ các công bố đã có và tài liệu kỹ thuật của thiết bị (máy tiện Takasiwa, biến tần, động cơ 3 pha 7,5 kW).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài từ góc độ khuyết tật hàn nóng chảy và ô nhiễm môi trường, nêu ý nghĩa khoa học và thực tiễn của hàn ma sát xoay (15 ưu điểm kỹ thuật được liệt kê), xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp và cấu trúc đồ án. Chương cũng khẳng định lý do chọn cách tiếp cận mô hình hóa là mục tiêu trọng tâm.

Chương 2: Tổng quan

Chương trình bày định nghĩa và lịch sử phát triển của hàn ma sát xoay: bằng sáng chế đầu tiên tại Mỹ (1891), loạt bằng sáng chế tại Châu Âu (1920–1942), nghiên cứu tại Liên Xô (1956), công bố máy MST-1 (1957), phát triển thương mại tại Nhật (1962–1973) và tiêu chuẩn IS 3607 (1994). Chương nêu ưu điểm và nhược điểm của công nghệ, giới thiệu thiết bị của các công ty AMF, Caterpillar, Rockwell International và Shenja. Phần tình hình trong nước ghi nhận ba công trình nghiên cứu của Đại học Nha Trang phối hợp với Nhật Bản về ứng xử mỏi và phát triển vết nứt trong mối hàn ma sát hai siêu hợp kim M247–INC718, đồng thời chỉ ra khoảng trống nghiên cứu về vật liệu thông dụng và thiết bị trong nước.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương trình bày chi tiết lịch sử phát triển hàn ma sát từ A. Chudikov (1954) đến giai đoạn máy hàn NC (1998) và máy hàn đường kính siêu nhỏ (2002). Phần thông số công nghệ phân tích tác động của từng biến số — lực ma sát, tốc độ quay, thời gian ma sát, lực chồn — lên vi cấu trúc mối hàn. Bảng thông số hàn của năm cặp vật liệu được trình bày:

Vật liệu	Đường kính (mm)	Tốc độ (rpm)	Lực ma sát (N/mm²)	Lực rèn (N/mm²)	Chiều dài chồn (mm)
Thép carbon thấp	20	1.500	50	120	5
Low carbon steel – AISI 304	20	1.500	32	128	2
Carbon steel – Stainless steel	18	1.500	80	160	2
AISI 304 – AA6082 aluminum	15	1.500	80	150	5
Hợp kim đồng CuZn28	19	1.500	—	—	—

Chương cũng trình bày nguyên lý 6 bước của quy trình hàn ma sát xoay (từ gá chi tiết đến giai đoạn rèn) và lý thuyết hệ thống thủy lực kèm bảng so sánh ba công nghệ truyền động (điện, thủy lực, khí nén).

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp đề xuất

Chương đề xuất và đánh giá bốn phương án thiết kế máy hàn:

Tiêu chí	PA 1 (Máy tiện)	PA 2 (Thông thường)	PA 3 (Quán tính)	PA 4 (CNC tự động)
Kết cấu	Đơn giản	Đơn giản	Đơn giản	Phức tạp
Chi phí	Thấp	Thấp	Thấp	Cao
Lực rèn	Không ổn định	Ổn định	Ổn định	Ổn định
Kiểm soát tốc độ	Ổn định	Ổn định	Không ổn định	Ổn định

Tác giả lựa chọn Phương án 2 — máy hàn ma sát thông thường vì đảm bảo lực rèn ổn định, kết cấu đơn giản và chi phí hợp lý. Phương án này tận dụng hộp tốc độ và mâm cặp của máy tiện Takasiwa, chế tạo thêm khung đỡ, bộ phận mâm cặp cố định và cơ cấu thủy lực.

Chương 5: Các phương án chế tạo mô hình

Chương trình bày quá trình lựa chọn từng bộ phận chức năng qua sáu bảng so sánh phương án:

• Khung chính: Chọn phương án chế tạo khung đỡ bằng thép vuông 50×50×1,5 mm và thép hộp 30×60×1 mm (thay vì sử dụng thân máy tiện có sẵn) vì linh hoạt trong bố trí và phù hợp kích thước thực tế.
• Hệ thống đỡ trục chính: Tái sử dụng hộp tốc độ máy tiện Takasiwa, đơn giản hóa bên trong để giảm tải trọng.
• Kẹp chặt chi tiết đứng yên: Chọn mâm cặp 3 chấu tự định tâm (thay vì ê-tô tự định tâm) vì độ cứng vững cao và sẵn có trên thị trường.
• Hệ thống trượt: Chọn thanh trượt dẫn SLIDE GUIDE (thay vì băng trượt máy tiện) vì dễ lắp đặt, chịu tải tốt và tuổi thọ cao.
• Hệ thống đẩy thủy lực: Chọn phương án 1 xy lanh điều khiển bằng van điện từ solenoid vì thiết kế đơn giản, lực tác động trực tiếp và chi phí thấp hơn phương án 2 xy lanh.
• Điều khiển tốc độ: Chọn biến tần thay cho thay đổi đường kính puly vì điều chỉnh tốc độ linh hoạt và tính công nghệ cao.

Chương 6: Tính toán thiết kế cơ cấu

Chương trình bày các tính toán kỹ thuật chính: công suất máy, tốc độ quay của trục chính, tính toán bộ truyền đai, tính toán xy lanh thủy lực và khoảng cách hai mũi tâm. Động cơ được chọn là động cơ 3 pha công suất 7,5 kW. Mạch điều khiển thủy lực được thể hiện thông qua sơ đồ mạch điện và sơ đồ thủy lực.

Chương 7: Quá trình chế tạo gia công chi tiết

Chương mô tả trình tự gia công và lắp ráp năm cụm chi tiết: chế tạo khung đỡ, lắp ráp bộ phận gá trục chính và mâm cặp quay, chế tạo bộ phận gắn mâm cặp cố định, chế tạo hệ thống trượt và chế tạo bộ phận gá lắp xy lanh thủy lực.

---

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc tổng thể máy hàn

Thiết bị được thiết kế theo sơ đồ máy hàn ma sát thông thường, gồm bảy cụm chức năng chính: khung đỡ (thép vuông 50×50×1,5 mm và thép hộp 30×60×1 mm), hộp tốc độ tái sử dụng từ máy tiện Takasiwa, mâm cặp quay (trước), mâm cặp không quay (sau) gắn trên hệ thống trượt SLIDE GUIDE, hệ thống thủy lực với 1 xy lanh điều khiển bằng van solenoid, động cơ điện 3 pha 7,5 kW và biến tần điều khiển tốc độ.

Toàn bộ bản vẽ mô hình 3D được thiết kế bằng phần mềm Creo Parametric 3.0.

Hệ thống thủy lực

Mạch thủy lực được thiết kế với 1 xy lanh thủy lực điều khiển bằng van điện từ solenoid, cho phép người vận hành điều chỉnh hành trình xy lanh (tương ứng lực P1 trong giai đoạn ma sát và lực P2 trong giai đoạn rèn) bằng nút bấm. Áp suất hệ thống thủy lực có khả năng đạt đến 600 bar theo thông số lý thuyết truyền động thủy lực được trích dẫn trong đề tài.

Kiểm thử và đánh giá

Đề tài đã chế tạo thử nghiệm các bộ phận của máy hàn ma sát và hoàn thành lắp ráp mô hình. Tuy nhiên, do hạn chế thời gian, giai đoạn thử nghiệm hàn thực tế với đánh giá chất lượng mối hàn (cơ tính, vi cấu trúc) chưa được thực hiện.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đề tài:

• Hoàn thành nghiên cứu tổng quan về nguyên lý, lịch sử và thông số công nghệ hàn ma sát xoay.
• Đề xuất và phân tích bốn phương án thiết kế máy hàn, lựa chọn phương án tối ưu (phương án 2 — hàn ma sát thông thường) thông qua sáu ma trận so sánh tiêu chí.
• Thiết kế hoàn chỉnh mô hình 3D bằng Creo Parametric 3.0.
• Chế tạo các bộ phận cơ khí của thiết bị hàn ma sát xoay, bao gồm khung đỡ, hệ thống trục chính, hệ thống trượt SLIDE GUIDE, cụm mâm cặp cố định và cụm xy lanh thủy lực.
• Thiết kế mạch điều khiển thủy lực sử dụng van solenoid.

Phạm vi hàn của thiết bị được chế tạo: chi tiết đặc đường kính nhỏ hơn 20 mm và chi tiết rỗng đường kính nhỏ hơn 60 mm.

Đóng góp so với nghiên cứu trước: Tác giả tự nhận xét rằng các công trình đã công bố trong nước (Đại học Nha Trang) chỉ tập trung vào ứng xử vật liệu đặc biệt (siêu hợp kim M247, INC718) mà chưa đề xuất công nghệ hàn cho vật liệu thông dụng hay thiết bị chuyên dụng trong nước. Đề tài này là một trong những nỗ lực đầu tiên ở Việt Nam hướng đến thiết kế và chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay phục vụ vật liệu thông dụng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả nêu các hạn chế sau trong đề tài:

• Tính toán và thiết kế chưa tối ưu do kinh nghiệm còn hạn chế.
• Kinh phí và thời gian hạn hẹp (thực hiện trong hơn 10 tuần).
• Chưa thử nghiệm thực tế để có đánh giá đầy đủ chất lượng mối hàn.
• Thiết bị chưa điều khiển tự động toàn bộ quá trình hàn.

Hướng phát triển tác giả đề xuất:

• Hoàn chỉnh thiết kế và chế tạo theo hướng tối ưu hóa kỹ thuật lẫn kinh tế.
• Khảo sát nhu cầu thị trường để định hướng chuyển giao công nghệ phục vụ sản xuất đại trà.
• Phát triển thiết bị hàn kim loại khác tính chất (dị loại vật liệu).

---

Giá trị tham khảo

Đồ án này có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí và Cơ khí Chế tạo máy đang thực hiện đề tài thiết kế thiết bị gia công hoặc ghép nối kim loại, đặc biệt phần lựa chọn phương án theo ma trận tiêu chí (Chương 4 và 5) là mẫu tham khảo hữu ích về tư duy thiết kế kỹ thuật.
• Sinh viên nghiên cứu hệ thống thủy lực có thể tham khảo phần lý thuyết hệ thống xy lanh – thủy lực và bảng so sánh ba công nghệ truyền động tại Chương 3.
• Người làm đề tài về hàn trong bối cảnh Việt Nam có thể tham khảo tổng quan lịch sử công nghệ hàn ma sát xoay và bảng thông số hàn của năm cặp vật liệu tại Chương 2 và 3.
• Kỹ sư và doanh nghiệp cơ khí muốn tìm hiểu công nghệ hàn ma sát xoay như hướng đầu tư thay thế hàn hồ quang có thể tham khảo phần ưu nhược điểm và phân tích phương án thiết kế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả chọn phương án 2 (máy hàn ma sát thông thường) thay vì phương án 4 (CNC tự động)?

Theo bảng so sánh tại Chương 4, phương án 4 có kết cấu phức tạp và chi phí cao, trong khi phương án 2 đáp ứng đầy đủ các tiêu chí ổn định lực rèn và kiểm soát tốc độ với chi phí thấp. Ngoài ra, phương án 4 yêu cầu bảng thông số thực nghiệm hoàn chỉnh cho từng vật liệu trước khi vận hành, điều mà điều kiện đề tài chưa cho phép.

2. Phạm vi kích thước chi tiết mà thiết bị này có thể hàn là bao nhiêu?

Thiết bị được thiết kế để hàn chi tiết đặc có đường kính nhỏ hơn 20 mm và chi tiết rỗng có đường kính nhỏ hơn 60 mm, theo giới hạn tác giả nêu tại phần phạm vi nghiên cứu.

3. Thông số hàn nào cần thiết lập khi hàn thép carbon thấp theo số liệu trong đề tài?

Theo Bảng 1, thép carbon thấp đường kính 20 mm cần tốc độ quay 1.500 rpm, lực ma sát 50 N/mm², lực rèn 120 N/mm² và chiều dài chồn 5 mm. Trong khi đó, cặp AISI 304 – AA6082 aluminum yêu cầu lực ma sát và rèn cao hơn (80 và 150 N/mm²) với chiều dài chồn 5 mm ở đường kính 15 mm.

4. Hệ thống đẩy thủy lực trong thiết bị hoạt động như thế nào?

Thiết bị sử dụng 1 xy lanh thủy lực điều khiển bằng van điện từ solenoid. Người vận hành bấm nút để xy lanh đẩy chi tiết không quay tiếp xúc với chi tiết quay tạo lực P1 trong giai đoạn ma sát; sau khi bề mặt chảy dẻo và động cơ dừng, tiếp tục bấm nút để xy lanh đẩy thêm tạo lực P2 trong giai đoạn rèn.

5. Tình hình nghiên cứu hàn ma sát xoay tại Việt Nam tính đến thời điểm đề tài được thực hiện (2015) như thế nào?

Theo Chương 2, tại Việt Nam chỉ có ba công trình nghiên cứu do Đại học Nha Trang phối hợp với Nhật thực hiện, tập trung vào ứng xử mỏi, tập trung biến dạng và phát triển vết nứt trong mối hàn ma sát hai siêu hợp kim M247 và INC718. Chưa có nghiên cứu nào đề cập đến công nghệ hàn vật liệu thông dụng hoặc đề xuất thiết bị chuyên dụng trong nước.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp này trình bày toàn bộ quá trình nghiên cứu, lựa chọn phương án, tính toán thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị hàn ma sát xoay theo nguyên lý hàn ma sát thông thường, với hệ thống thủy lực 1 xy lanh điều khiển bằng van solenoid và biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha 7,5 kW. Đề tài phản ánh một hướng nghiên cứu còn mới mẻ tại Việt Nam, nơi hàn ma sát xoay chưa được ứng dụng rộng rãi trong doanh nghiệp dù tiềm năng kỹ thuật rõ ràng. Kết quả đạt được là mô hình thiết bị cơ khí hoàn chỉnh phù hợp với phạm vi chi tiết có đường kính nhỏ hơn 20 mm (đặc) và 60 mm (rỗng), tuy nhiên giai đoạn kiểm nghiệm thực tế và tối ưu hóa thông số hàn vẫn là công việc cần tiếp tục trong các nghiên cứu sau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY” GVHD: PGS. TS ĐẶNG THIỆN NGÔN SVTH: NGUYỄN ĐOÀN XUÂN TRƯỜNG MSSV: 11144107 SKL 0 0 3 9 6 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 do an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY” Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.

TS ĐẶNG THIỆN NGÔN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐOÀN XUÂN TRƢỜNG MSSV: 11144107 Lớp: 111442A Khoá: 2011 - 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn ……………………………. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: …………….……… Sinh viên thực hiện: ……………………………………………… 1.

Các số liệu, tài liệu ban đầu: ……………. Nội dung chính của đồ án: ……………. Các sản phẩm dự kiến ……………. Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i do an LỜI CAM KẾT - Tên đề tài:“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay” - GVHD: PGS.

TS ĐẶNG THIỆN NGÔN - Họ tên sinh viên: NGUYỄN ĐOÀN XUÂN TRƢỜNG - MSSV: 11144107 Lớp: 111442A - Địa chỉ sinh viên: 195/3 Ấp Thạnh An, Xã Thạnh Phong, huyện Thạnh Phú, Tỉnh Bến Tre - Số điện thoại liên lạc: 0169.3620 - Email: [e-mail] - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 20/07/2015 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Ký tên i do an LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ ngày nay, kéo theo đó là sự ra đời của các robots, dây chuyền, máy móc tự động, hiện đại, chính xác,… nhƣ các loại máy CNC, robots công nghiệp, công nghệ vũ trụ,… Việc áp dụng khoa học kỹ thuật, cơ khí hiện đại vào sản xuất, vào đời sống hàng ngày đã giúp con ngƣời nâng cao năng suất sản xuất, tiết kiệm thời gian cũng nhƣ chi phí.

Đồng thời nó cũng giúp biến mọi chuyện trở nên đơn giản hơn… Tuy nhiên để đảm bảo cho các thiết bị này hoạt động đƣợc, con ngƣời phải trải qua một quá trình dài bao gồm nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm. Ngay trong khi còn ngồi trên ghế nhà trƣờng, để đảm bảo việc áp dụng lý thuyết vào thực tiễn thì bộ môn Công nghệ tự động cũng nhƣ các bộ môn khác đều có môn “Khóa luận tốt nghiệp”, nhằm giúp sinh viên thực hiện đề tài của mình, khẳng định và áp dụng những lý thuyết đã học vào đề tài đó. Là sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí – Khoa Cơ khí Chế tạo máy, em rất vinh dự khi đƣợc làm đề tài tốt nghiệp với tên đề tài “nghiên cứu, thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay”. Em xin chân thành cám ơn thầy Đặng Thiện Ngôn cũng nhƣ các thầy cô khác đã hỗ trợ, giúp đỡ cũng nhƣ kiểm tra trong việc thực hiện đề tài của em.