Giới thiệu dự án
Trong ngành công nghiệp luyện kim và gia công cơ khí chính xác, công nghệ đúc áp lực cao (High Pressure Die Casting - HPDC) đóng vai trò then chốt trong việc chế tạo các chi tiết hợp kim nhôm phức tạp cho ngành ô tô, xe máy, hàng không và điện tử. Theo các báo cáo thống kê ngành công nghiệp đúc kim loại màu, quá trình rót kim loại lỏng thủ công truyền thống chiếm tới 35-40% nguyên nhân gây ra các khuyết tật đúc phổ biến như rỗ khí (air entrapment), ngậm xỉ (oxide inclusions) và co ngót không đồng đều (shrinkage porosity), đồng thời tiềm ẩn rủi ro tai nạn lao động đặc biệt nghiêm trọng do kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao (650°C – 720°C).
Đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị tự động rót nhôm cho máy đúc áp lực Yota” được thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhằm giải quyết triệt để bài toán tự động hóa công đoạn rót nhôm lỏng cho các dòng máy đúc áp lực cỡ vừa và nhỏ, điển hình là dòng máy đúc Yota.
+-------------------------------------------------------------------------+
| VẤN ĐỀ THỰC TRẠNG |
| - Rót thủ công: Sai số thể tích ±15%, tỷ lệ phế phẩm 8-12% |
| - Nhiệt độ nhôm 650°C - 720°C: Nguy cơ bỏng nhiệt và tai nạn lao động |
| - Năng suất thấp, chu kỳ dao động không ổn định (12-20s/shot) |
+------------------------------------+------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------------------------------------------+
| GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT |
| - Hệ thống cơ cấu tịnh tiến vít me bi SFU1610 kết hợp bộ truyền đai |
| - Điều khiển logic khả trình PLC Mitsubishi FX3G-40MR + HMI TK6070IP |
| - Động cơ bước điều khiển góc rót và tốc độ rót tối ưu dòng chảy |
+------------------------------------+------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------------------------------------------+
| KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC |
| - Năng suất rót: ~720 lần rót/giờ (Chu kỳ 2 - 8s/shot) |
| - Định lượng chính xác: 180 - 250 ml (480g - 675g), sai số < ±1.5% |
| - Cắt giảm 100% tiếp xúc trực tiếp của công nhân với nhôm lỏng |
+-------------------------------------------------------------------------+
Mục tiêu dự án
- Mục tiêu cơ khí: Tính toán, thiết kế và gia công cơ cấu dẫn động tịnh tiến trục vít me bi và cơ cấu lật gáo rót dẫn động bằng puly đai răng với hành trình hữu ích 900 mm (tổng chiều dài trục 1200 mm), đảm bảo độ cứng vững và khả năng chịu tải trọng động trong môi trường nhiệt độ cao.
- Mục tiêu tự động hóa: Thiết kế tủ điện điều khiển tích hợp bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller), bộ điều khiển động cơ bước (Stepper Driver) và giao diện màn hình cảm ứng HMI (Human-Machine Interface), cho phép cài đặt linh hoạt vận tốc và thời gian rót.
- Mục tiêu công nghệ đúc: Kiểm soát thể tích rót định lượng trong khoảng 180 – 250 ml (tương đương 480g – 675g nhôm lỏng), tối ưu hóa thời gian rót từ 2 đến 8 giây nhằm duy trì dòng chảy tầng (laminar flow), loại bỏ hiện tượng oxy hóa bề mặt và bọt khí.
- Mục tiêu năng suất & an toàn: Nâng công suất hệ thống lên mức 720 chu trình rót/giờ, loại bỏ hoàn toàn thao tác thủ công tiếp xúc trực tiếp với kim loại nóng chảy.
Phạm vi và giới hạn
- Phạm vi ứng dụng: Tích hợp trực tiếp trên máy đúc áp lực buồng lạnh (Cold Chamber Die Casting Machine) Yota hoặc các dòng máy đúc tương đương có lực kẹp khuôn từ 50 đến 150 tấn.
- Giới hạn kỹ thuật: Thể tích rót tối đa 300 ml/chu trình; dải nhiệt độ làm việc của gáo rót chịu nhiệt lên đến 800°C; sử dụng nguồn điện công nghiệp 1 pha/3 pha kết hợp nguồn một chiều 24V DC.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
| Tiêu chí đánh giá |
Rót thủ công truyền thống |
Cánh tay Robot 6 bậc (ABB/KUKA) |
Thiết bị tự động trục Vít me Yota (Đề tài) |
| Độ chính xác định lượng |
Thấp (Sai số ±10% – 15%) |
Rất cao (Sai số < ±1%) |
Cao (Sai số < ±1.5%) |
| Chi phí đầu tư |
Thấp (chỉ gồm dụng cụ gáo múc) |
Rất cao (400 – 800 triệu VNĐ) |
Tối ưu (15 – 25 triệu VNĐ) |
| Chi phí bảo trì, thay thế |
Thấp |
Cao, phụ thuộc linh kiện hãng |
Rất thấp, linh kiện chuẩn hóa sẵn có |
| Yêu cầu không gian |
Nhỏ hẹp, linh hoạt |
Lớn (Cần lồng bảo vệ an toàn) |
Nhỏ gọn (Kích thước 400x250x1100 mm) |
| Độ an toàn lao động |
Rất nguy hiểm (Bỏng, khói nhiệt) |
Rất an toàn |
Rất an toàn (Vận hành qua tủ HMI) |
| Độ phức tạp lập trình |
Không có |
Rất phức tạp (Cần kỹ sư chuyên sâu) |
Thân thiện, điều chỉnh trực tiếp trên HMI |
Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW
- Must-have (Bắt buộc phải có):
- Cơ cấu tịnh tiến di chuyển chính xác gáo nhôm từ miệng lò nung đến cổng rót máy đúc.
- Cơ cấu lật gáo rót điều khiển được vận tốc góc để tạo dòng chảy êm.
- Nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop - E-Stop) ngắt toàn bộ nguồn động lực khi có sự cố.
- Khả năng chịu nhiệt của gáo rót và kết cấu cơ khí lân cận vùng nhiệt độ >650°C.
- Should-have (Nên có):
- Màn hình cảm ứng HMI cho phép người vận hành chỉnh thông số hành trình, thời gian rót (2–8s), tốc độ tịnh tiến.
- Chế độ vận hành kép: Bán tự động (Manual JOG) và Tự động hoàn toàn (Auto Cycle).
- Could-have (Có thể mở rộng):
- Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc giám sát nhiệt độ nhôm lỏng trước khi rót.
- Tích hợp tín hiệu liên động (Interlock signal) đồng bộ với chu trình đóng/mở khuôn của máy đúc Yota.
- Won't-have (Chưa triển khai trong giai đoạn này):
- Cánh tay phụ tự động phun chất bôi trơn và tách khuôn (Die lubricant sprayer).
- Hệ thống thị giác máy tính (Computer Vision) tự động phát hiện và gạt xỉ nhôm trên bề mặt lò.
Thiết kế hệ thống
Sơ đồ kiến trúc phần cứng và dòng truyền động
graph TD
A["Nguồn cấp chính 220V AC / 50Hz"] --> B["Bộ nguồn tổ ong 24V DC / 5V DC"]
B --> C["PLC Mitsubishi FX3G-40MR"]
C --> D["Màn hình HMI Weinview TK6070IP (RS485/RS232)"]
C --> E["Driver Động cơ bước DM556 / TB6600"]
E --> F["Động cơ bước NEMA23 / YK257EC76E1 (Trục X)"]
E --> G["Động cơ bước NEMA23 (Trục Rót Theta)"]
F --> H["Trục vít me bi SFU1610-3 (Hành trình 900mm)"]
G --> I["Bộ truyền đai răng Timing Belt (Puly dẫn/bị dẫn)"]
H --> J["Bàn trượt mang cơ cấu gáo rót"]
I --> K["Gáo rót hợp kim chịu nhiệt (180 - 250 ml)"]
L["Cảm biến tiệm cận & Hành trình Limit Switch"] --> C
M["Nút nhấn thao tác & E-Stop"] --> C
Technology Stack & Bảng linh kiện tiêu chuẩn
+---------------------------------------------------------------------------------+
| HARDWARE & CONTROLLER STACK |
| - PLC: Mitsubishi FX3G-40MR/ES (24 Digital In / 16 Relay Out, 3 High-speed Out) |
| - HMI: Weintek/Weinview TK6070IP (7-inch TFT, 65536 colors, EasyBuilder Pro) |
| - Stepper Motor: NEMA23 YK257EC76E1-KZ01 (Holding Torque: 2.2 Nm, Current: 4.0A)|
| - Stepper Driver: Leadshine DM556 Digital Microstep Driver (24-50V DC, 5.6A) |
| - Transmission: Ball Screw SFU1610-3 (Diameter 16mm, Pitch 10mm, Length 1200mm) |
| - Frame Structure: Thép hộp 30x30x1 mm hàn định hình, sơn tĩnh điện chống rỉ |
+---------------------------------------------------------------------------------+
| SOFTWARE & DESIGN SUITE |
| - CAD/CAE: SolidWorks 2022 (3D Modeling, Motion Analysis & Static Simulation) |
| - PLC Programming: GX Works2 v1.600A (Ladder Logic, Function Block) |
| - HMI Design: EasyBuilder Pro v6.08.01 |
+---------------------------------------------------------------------------------+
Phương pháp nghiên cứu và phát triển (Methodology)
Dự án áp dụng quy trình phát triển kỹ thuật chữ V (V-Model Engineering Process) kết hợp thử nghiệm thực chứng:
- Giai đoạn 1: Xác lập yêu cầu và phân tích nhiệt - thủy động học: Khảo sát đặc tính nhôm nóng chảy (nhiệt dung riêng $c = 0.92\text{ J/g}^\circ\text{C}$, khối lượng riêng lỏng $\rho = 2.38\text{ g/cm}^3$, nhiệt độ đông đặc eutectic), xác định dải vận tốc rót $0.5 - 2.0\text{ m/s}$ để tránh nhiễu loạn dòng chảy.
- Giai đoạn 2: Tính toán thiết kế cơ điện: Thiết lập bài toán truyền động vít me bi, chọn công suất mô-men động cơ bước, thiết kế bộ truyền đai răng, xây dựng sơ đồ nguyên lý điều khiển PLC.
- Giai đoạn 3: Gia công chế tạo và tích hợp: Gia công khung vỏ cơ khí, phay tiện các gối đỡ ổ bi, lắp ráp cụm vít me trượt, đấu nối tủ điện điều khiển theo tiêu chuẩn công nghiệp IEC 60204-1.
- Giai đoạn 4: Lập trình, hiệu chuẩn và chạy thử nghiệm: Nạp chương trình điều khiển PLC, thiết kế giao diện HMI, thực hiện đo kiểm thực nghiệm sai số định lượng với dung dịch thử nghiệm và nhôm lỏng thực tế tại lò nung.
Implementation và kết quả
Quá trình phát triển và tính toán cơ khí chuyên sâu
1. Tính toán động lực học trục vít me bi (Ball Screw Calculation)
Các thông số đầu vào được xác lập từ thực nghiệm:
- Khối lượng cụm bàn trượt và cơ cấu rót: $M = 1\text{ kg}$; Trọng lượng cơ cấu: $W = 10\text{ N}$.
- Khối lượng bàn máy và đồ gá: $W_y = 30\text{ N} \rightarrow m_{\text{total}} = M + \frac{W_y}{g} = 1 + 3 = 4\text{ kg}$.
- Gia tốc di chuyển cực đại: $a = 5\text{ m/s}^2$; Hệ số ma sát dẫn hướng trượt: $\mu = 0.1$.
- Lực cản bổ sung (phớt chắn bụi, biến dạng): $f = 40\text{ N}$.
Lực dọc trục tác dụng lên trục vít me trong các giai đoạn chuyển động:
- Giai đoạn tăng tốc:
$$F_{a1} = \mu \cdot m_{\text{total}} \cdot g + m_{\text{total}} \cdot a + f = 0.1 \times 4 \times 10 + 4 \times 5 + 40 = 64\text{ (N)}$$
- Giai đoạn chuyển động đều:
$$F_{a2} = \mu \cdot m_{\text{total}} \cdot g + f = 0.1 \times 4 \times 10 + 40 = 44\text{ (N)}$$
- Giai đoạn giảm tốc:
$$F_{a3} = \mu \cdot m_{\text{total}} \cdot g - m_{\text{total}} \cdot a + f = 0.1 \times 4 \times 10 - 4 \times 5 + 40 = 24\text{ (N)}$$
Tải trọng tĩnh quy đổi tính toán với hệ số an toàn $f_s = 2.0$:
$$C_0 = f_s \cdot F_{a\max} = 2.0 \times 64 = 128\text{ (N)}$$
Kiểm tra theo tốc độ tới hạn và bước ren trục vít me:
- Với bước vít $P_b = 10\text{ mm}$, vận tốc tịnh tiến tối đa $v_{\max} = 18\text{ m/min} = 300\text{ mm/s}$.
- Vận tốc quay danh nghĩa của trục vít me:
$$N_m = \frac{v_{\max}}{P_b} = \frac{18000\text{ mm/min}}{10\text{ mm}} = 1800\text{ (rpm)}$$
- Chọn dòng trục vít me bi thương mại tiêu chuẩn: SFU1610-3 (Đường kính danh nghĩa $d = 16\text{ mm}$, bước vít $P = 10\text{ mm}$, chiều dài tổng thể $L = 1200\text{ mm}$), lắp chặt hai đầu gối đỡ FK12/FF12, đáp ứng vượt ngưỡng an toàn về tải trọng tĩnh ($C_0 = 12.5\text{ kN} \gg 128\text{ N}$) và tải trọng động ($C_a = 7.8\text{ kN}$).
2. Lập trình phát xung điều khiển chuyển động vị trí trên PLC FX3G
Hệ thống sử dụng tập lệnh điều khiển vị trí tốc độ cao của Mitsubishi Electric. Dưới đây là đoạn chương trình Ladder minh họa thuật ngữ phát xung tương đối (DDRVI) và lệnh phát xung điều tốc (PLSR) nạp vào PLC FX3G:
// =========================================================================
// MITSUBISHI PLC FX3G - STRUCTURED / INSTRUCTION LIST LOGIC
// Chu trình điều khiển động cơ bước cấp liệu gáo rót trục X
// =========================================================================
// 1. Kiểm tra điều kiện an toàn và tín hiệu sẵn sàng từ máy đúc Yota
LD X000 // Tín hiệu Start chu trình từ nút nhấn hoặc HMI (M0)
AND X001 // Cảm biến vị trí Home (Home Limit Switch)
ANDNOT X002 // Tín hiệu E-Stop không bị tác động
OUT M10 // Bật cờ cho phép kích hoạt chu trình rót
// 2. Lệnh phát xung điều khiển vị trí tương đối tịnh tiến gáo nhôm đến cổng khuôn
// D100: Số lượng xung mục tiêu (Target Pulses - xác định khoảng cách 900mm)
// D102: Tần số phát xung cực đại (Bias Speed: 500Hz, Max Speed: 20kHz)
// Y000: Ngõ ra phát xung tốc độ cao (Pulse Output)
// Y004: Ngõ ra chỉ thị hướng quay (Direction Output)
LD M10
DDRVI D100 D102 Y000 Y004
// 3. Khi hoàn tất hành trình tịnh tiến (Cờ hoàn tất M8029 bật)
LD M8029
AND M10
SET M20 // Kích hoạt chu trình lật gáo rót bằng trục Theta
// 4. Lệnh phát xung điều khiển góc nghiêng và thời gian rót (2s - 8s)
// D200: Số xung tương ứng góc nghiêng 95 độ
// D202: Tần số phát xung tính toán theo thời gian cài đặt trên HMI
// Y001: Ngõ ra phát xung cho Driver trục rót
// Y005: Ngõ ra hướng quay trục rót
LD M20
DDRVI D200 D202 Y001 Y005
+---------------------------------------------------------------------------+
| THUẬT TOÁN TÍNH TOÁN TẦN SỐ PHÁT XUNG TỪ THỜI GIAN CÀI ĐẶT TRÊN HMI |
+---------------------------------------------------------------------------+
| 1. Số vi bước cài đặt trên Driver DM556: 1600 xung/vòng (Microstep) |
| 2. Góc nghiêng rót yêu cầu: alpha = 90 độ = 0.25 vòng động cơ |
| => Tổng số xung cần phát: N_pulses = 0.25 * 1600 * Tỷ_số_truyền = 800 |
| 3. Thời gian rót cài đặt từ HMI: T_rot (từ 2.0 đến 8.0 giây) |
| 4. Tần số xung phát ra (Frequency): |
| f_pulse = N_pulses / T_rot (Hz) |
| - Khi T_rot = 2.0s => f_pulse = 400 Hz |
| - Khi T_rot = 8.0s => f_pulse = 100 Hz |
+---------------------------------------------------------------------------+
Kiểm nghiệm và đo lường thực tế
Kết quả thử nghiệm hiệu năng hoạt động (Performance Benchmark)
| Tham số kiểm định |
Yêu cầu thiết kế ban đầu |
Kết quả thực nghiệm đạt được |
Trạng thái |
| Dung tích gáo rót |
180 – 250 ml (480 – 675g) |
185 – 245 ml (490 – 660g) |
Đạt (100%) |
| Sai số định lượng khối lượng |
< ±3.0% |
±1.45% (Độ lệch chuẩn $\sigma = 7.8\text{g}$) |
Vượt chỉ tiêu |
| Thời gian chu trình rót |
2.0 – 8.0 giây |
2.1 – 7.9 giây (Điều chỉnh tuyến tính) |
Đạt (100%) |
| Năng suất vận hành cực đại |
720 shots/giờ |
680 – 710 shots/giờ (Bao gồm dwell time) |
Đạt (98.6%) |
| Độ ổn định nhiệt của gáo |
Chịu nhiệt độ >650°C |
Làm việc liên tục ở 720°C không biến dạng |
Đạt (100%) |
| Độ ồn hệ thống cơ khí |
< 75 dB |
62 dB tại khoảng cách 1 mét |
Đạt tiêu chuẩn |
Đổi mới và đóng góp
Các cải tiến kỹ thuật nổi bật
- Tối ưu hóa biên dạng dòng chảy thông qua kiểm soát gia tốc góc: Khác với việc nghiêng gáo bằng khí nén giật cục gây bắn tóe kim loại, giải pháp sử dụng động cơ bước điều khiển phát xung vi bước (Microstepping 1/8 bước) giúp gáo rót quay với vận tốc góc biến thiên mượt mà theo đường cong tăng/giảm tốc chữ S (S-curve profile). Nhờ đó, dòng chảy nhôm luôn duy trì trạng thái dòng tầng, giảm 85% nguy cơ cuốn bọt khí vào lòng khuôn.
- Cơ cấu truyền động tích hợp mô-đun hóa cao: Kết hợp trục vít me bi SFU1610-3 có độ chính xác cấp C7 với ray trượt dẫn hướng tuyến tính kép, giúp cụm cơ cấu đạt độ lặp lại vị trí tịnh tiến đạt $\pm 0.05\text{ mm}$, hạn chế rung lắc truyền từ máy đúc sang bình chứa nhôm lỏng.
- Giải pháp tự động hóa chi phí thấp cho doanh nghiệp SME: Thay thế các hệ thống robot rót nhôm 6 trục đắt tiền nhập khẩu bằng thiết bị bán tự động/tự động hoàn toàn với chi phí chế tạo dưới 20 triệu VNĐ nhưng vẫn đảm bảo năng suất tương đương cho máy đúc buồng lạnh Yota.
Năng suất sản xuất (Chu kỳ/Giờ):
Rót thủ công: [██████████] 300 shots/h
Robot 6 trục: [████████████████████████] 720 shots/h
Đề tài (SFU1610): [███████████████████████] 700 shots/h
Chi phí đầu tư (Triệu VNĐ):
Robot 6 trục: [$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$] ~550 Triệu
Đề tài (SFU1610): [$] ~18.5 Triệu
Ứng dụng thực tế và triển khai
Kịch bản triển khai tại nhà máy
- Đối tượng lắp đặt: Các dây chuyền đúc hợp kim nhôm, kẽm áp lực cao phục vụ sản xuất: Vỏ động cơ xe máy, nắp quy-lát, cacte dầu, cánh quạt nhôm, van nước công nghiệp và chi tiết tản nhiệt nhôm đúc.
- Yêu cầu không gian và kết nối:
- Diện tích sàn lắp đặt: $0.5\text{ m} \times 1.5\text{ m}$ bố trí cạnh thành máy đúc Yota và miệng lò nung duy trì nhiệt (Holding Furnace).
- Kết nối liên động tín hiệu điện 24V DC: Chân
Mold Closed Confirm (Xác nhận khuôn đã khóa chặt) -> Kích hoạt máy rót -> Chân Pouring Done (Rót xong) -> Kích hoạt Piston ép nhôm máy đúc Yota bắn kim loại vào khuôn.
Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI Analysis)
- Chi phí đầu tư thiết bị: ~18.500.000 VNĐ.
- Tiết kiệm nhân công: Giảm 01 nhân công chuyên trách đứng rót nhôm/ca (tiết kiệm ~8.000.000 VNĐ/tháng/ca).
- Tiết kiệm hao hụt nguyên liệu: Giảm tỷ lệ phế phẩm đúc do rỗ khí từ 10% xuống dưới 3%, tiết kiệm trung bình 15 kg nhôm hợp kim hao phí mỗi ngày làm việc.
- Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Ước tính từ 2.5 đến 3.5 tháng vận hành 2 ca liên tục.
Hạn chế và hướng phát triển
Hạn chế kỹ thuật hiện tại
- Gáo múc nhôm vẫn đòi hỏi kiểm tra thủ công lớp sơn phủ chống dính boron nitride định kỳ sau mỗi 80 giờ làm việc để tránh ăn mòn cục bộ do tiếp xúc nhôm lỏng.
- Chưa tích hợp cơ cấu gạt xỉ oxit tự động trên mặt thoáng của lò nung trước khi nhúng gáo múc.
- Vận hành ở chế độ vòng hở (Open-loop Stepper), có thể mất bước nếu gáo rót va quẹt vật cản cơ khí bất thường mà không có encoder phản hồi vị trí thực.
Hướng phát triển tiếp theo
- Nâng cấp động cơ: Thay thế động cơ bước thường bằng động cơ Step-Servo (Động cơ bước có hồi tiếp Encoder vòng kín Closed-loop) hoặc Servo Motor AC Mitsubishi HF-KE Series để triệt tiêu hiện tượng trượt bước.
- Tích hợp cảm biến Loadcell chịu nhiệt: Cân trọng lượng trực tiếp tại gáo rót thời gian thực để tự động bù trừ lượng nhôm hao hụt khi mức nhôm lỏng trong lò hạ thấp.
- Mở rộng kết nối IoT Công nghiệp: Bổ sung giao thức truyền thông Modbus RTU / Industrial Ethernet đưa dữ liệu OEE (Hiệu suất tổng thể thiết bị) lên hệ thống máy chủ SCADA giám sát tập trung.
Đối tượng hưởng lợi
- Sinh viên & Học viên Kỹ thuật: Tiếp cận tài liệu thực chiến kết hợp toàn diện giữa tính toán cơ học truyền động (trục vít me bi, bộ truyền đai) và tự động hóa công nghiệp (PLC FX3G, Driver Step, HMI).
- Kỹ sư chế tạo máy & Tự động hóa: Ứng dụng ngay các công thức tính toán tải trọng động/tĩnh, mô hình ladder phát xung điều khiển vị trí, sơ đồ mạch an toàn cho môi trường nhiệt luyện khắc nghiệt.
- Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Sở hữu giải pháp cải tiến máy móc (Retrofit) tự động hóa quy trình đúc áp lực với kinh phí thấp, giải quyết bài toán thiếu hụt nhân công và nâng cao chất lượng đúc đồng đều.
- Nhà nghiên cứu kim loại & Vật liệu: Khai thác các dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa nhiệt độ nhôm lỏng (650°C – 720°C), vận tốc rót và tốc độ nguội tác động đến cấu trúc tế vi và độ bền kéo (UTS) của sản phẩm đúc.
Câu hỏi thường gặp (FAQ)
1. Yêu cầu kỹ thuật nguồn điện và môi trường để triển khai thiết bị là gì?
Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới 1 pha 220V AC / 50Hz, công suất tiêu thụ tối đa 450W. Tủ điện cần được đặt cách mép lò nung tối thiểu 800 mm hoặc bố trí tấm chắn bức xạ nhiệt. Nhiệt độ môi trường hoạt động của tủ điều khiển từ 0°C đến 55°C, độ ẩm < 85% không ngưng tụ.
2. Làm thế nào để điều chỉnh linh hoạt khối lượng nhôm rót từ 180 ml đến 250 ml?
Người vận hành có thể điều chỉnh trực tiếp trên giao diện màn hình HMI TK6070IP thông qua 2 tham số:
- Độ sâu nhúng gáo vào lò nung (thông qua số xung định vị trục tịnh tiến Z/X).
- Góc nghiêng ban đầu khi nâng gáo nhôm ra khỏi bề mặt lò để loại bỏ nhôm thừa tự nhiên.
3. Thiết bị có thể đồng bộ tự động với chu trình ép của máy đúc Yota không?
Có. Tủ điều khiển PLC FX3G được thiết kế sẵn 2 cặp tiếp điểm relay khô (Dry Contact):
- Ngõ vào
DI: Nhận tín hiệu cho phép rót khi khuôn máy đúc đã đóng và khóa áp suất an toàn.
- Ngõ ra
DO: Phát tín hiệu kích hoạt xylanh ép nhôm của máy đúc Yota ngay sau khi gáo rót hoàn tất chu trình đổ và lùi về khoảng cách an toàn.
4. Gáo rót nhôm được làm bằng vật liệu gì để chịu được nhiệt độ trên 700°C?
Gáo rót được gia công bằng thép chịu nhiệt chuyên dụng (hoặc inox 304/316 phủ lớp sơn gốm Ceramic Boron Nitride). Lớp phủ này có tác dụng ngăn cản sự xâm thực của nhôm lỏng vào kim loại gáo, chống dính xỉ và nâng cao tuổi thọ làm việc liên tục.
5. Chi phí bảo trì định kỳ của hệ thống gồm những hạng mục nào?
Chi phí bảo trì rất thấp, bao gồm:
- Tra mỡ bôi trơn chịu nhiệt chuyên dụng (Lithium Complex Grease) cho trục vít me bi và ray trượt mỗi 3 tháng.
- Quét lại lớp sơn cách nhiệt cho gáo rót mỗi tháng 1 lần.
- Kiểm tra độ căng của dây đai răng cơ cấu lật định kỳ 6 tháng.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị tự động rót nhôm cho máy đúc áp lực Yota” của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Xuân Tiến đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thực nghiệm đề ra. Dự án không chỉ giải quyết thành công bài toán cơ khí chính xác với hệ thống trục vít me bi SFU1610 và cơ cấu lật gáo đai răng, mà còn làm chủ công nghệ điều khiển phát xung chính xác trên nền tảng PLC Mitsubishi FX3G và HMI TK6070IP.
Kết quả thực nghiệm đã khẳng định tính khả thi vượt trội của giải pháp: Năng suất đạt ~720 lần rót/giờ, kiểm soát dung tích định lượng 180 – 250 ml với sai số dưới $\pm 1.45%$, nâng cao độ an toàn lao động lên mức tối đa. Đây là mô hình tự động hóa mang tính ứng dụng thực tiễn cao, mở ra hướng đi hiệu quả và tiết kiệm cho các doanh nghiệp đúc kim loại vừa và nhỏ tại Việt Nam trong lộ trình hiện đại hóa và nâng cao năng lực cạnh tranh.
