Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình phát triển công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghệ cơ khí chế tạo đóng vai trò nền tảng đối với hoạt động sản xuất kỹ thuật. Trong khi các doanh nghiệp cơ khí quy mô vừa và lớn hướng tới mức độ tự động hóa cao, thì các xưởng gia công quy mô vừa và nhỏ chiếm tỷ trọng lớn tại Việt Nam lại đối mặt với bài toán nâng cao năng suất lao động song song với việc cải thiện môi trường làm việc.
Thực tế tại các xưởng hàn nói chung và phòng thực hành hàn của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng nói riêng, quá trình thực hành hàn phát sinh lượng lớn khói bụi, hơi khí kim loại độc hại và bức xạ hồ quang. Môi trường không gian kín và thông gió không đủ gây nên các hiện tượng kích ứng cấp tính như ho khan, khó thở, cay mắt cho sinh viên và thợ hàn. Trong khi đó, các thiết bị và hệ thống xử lý khói hàn thương mại trên thị trường có giá thành cao, chưa tối ưu cho điều kiện kinh tế của các cơ sở đào tạo và xưởng sản xuất nhỏ. Từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Tính toán, thiết kế, chế tạo cabin và hệ thống hút khói hàn" được nhóm sinh viên Nông Đức Hậu, Dương Quốc Toan và Võ Xuân Trường thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Hoàng Trọng Hiếu.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về các công nghệ hàn kim loại phổ biến và các yếu tố nguy hại sinh ra trong quá trình hàn (khói hàn, bức xạ tia UV, nhiệt lượng).
- Phân tích tác động độc học của các hạt phân tử khói hàn và ánh sáng hồ quang đối với sức khỏe con người cùng các quy chuẩn an toàn lao động.
- Tính toán thiết kế kết cấu cabin hàn kín, bàn làm việc, cụm tay kẹp định vị và cơ cấu nâng hạ ghế ngồi bằng bộ truyền vít me - đai ốc bi.
- Tính toán nhiệt lượng, lượng ẩm, lưu lượng khí thải và thiết kế hệ thống hút, lọc khói hàn độc lập.
- Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí quan trọng (trục ren M20x2) và chế tạo mô hình thực nghiệm, lập bản vẽ 2D, 3D cùng video vận hành thực tế.
Đối tượng nghiên cứu là cabin thao tác hàn kín và hệ thống hút lọc khói hàn cục bộ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy mô xưởng thực hành và các đơn vị sản xuất cơ khí nhỏ, áp dụng cho các phương pháp hàn hồ quang tay, hàn MIG/MAG và TIG.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết chuyên ngành công nghệ chế tạo máy, nhiệt động học kỹ thuật và an toàn vệ sinh lao động:
- Cơ sở lý thuyết công nghệ hàn và độc học môi trường: Bản chất nhiệt luyện và biến dạng mối hàn trong các phương pháp hàn MIG/MAG, TIG, hàn tự động dưới lớp thuốc và hàn điện tiếp xúc. Khái niệm và đặc tính sol khí (aerosol) của khói hàn với kích thước hạt mịn ($0{,}01 - 1,\mu\text{m}$ tại nguồn, $1 - 2,\mu\text{m}$ tại vùng thở của thợ hàn), các giới hạn phơi nhiễm theo tiêu chuẩn OSHA đối với Crom hóa trị sáu ($\text{Cr(VI)} \le 5,\mu\text{g/m}^3$), Mangan, Niken, Chì và Cadmium.
- Lý thuyết tính toán cơ học và bộ truyền cơ khí: Sử dụng phương pháp tính toán sức bền vật liệu và chi tiết máy để thiết kế trục vít me - đai ốc nâng hạ ghế làm việc, kiểm nghiệm ứng suất kéo/nén theo giới hạn chảy của vật liệu ($\sigma_{ch} = 67,\text{MPa}$).
- Lý thuyết thông gió và xử lý khí thải: Tính toán cân bằng nhiệt ($Q$), lượng ẩm do thợ hàn tỏa ra ($W$), lượng khói hàn phát sinh ($G$) để xác định lưu lượng hút cần thiết của quạt hút.
- Phương pháp nghiên cứu thực hiện:
- Phương pháp giải tích: Áp dụng các công thức giải tích trong thiết kế máy và cơ sở truyền nhiệt để xác định kích thước hình học, tải trọng $F = 630,\text{N}$, mô men xoắn và ứng suất.
- Phương pháp mô hình hóa và thiết kế CAD: Xây dựng bản vẽ kỹ thuật 2D, mô hình hóa 3D toàn bộ cabin, bàn hàn, ghế thao tác và chụp hút khí.
- Phương pháp lập quy trình công nghệ chế tạo: Phân tích kết cấu, phân chia các nguyên công cắt gọt kim loại, chọn máy, chọn dao, gá đặt và tra bảng chế độ cắt (chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $s$, vận tốc cắt $v$) cho chi tiết trục ren.
- Phương pháp thực nghiệm: Gia công cơ khí, lắp ráp mô hình thực tế, kết nối mạch điện quạt hút - chiếu sáng và kiểm tra vận hành.
- Nguồn dữ liệu: Sổ tay thiết kế máy, giáo trình công nghệ chế tạo máy, bảng tra cứu catalog trục vít me (mã SFH02510-3.8), các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn lao động và dữ liệu đo đạc thực tế tại xưởng thực hành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng.
Thiết kế và chế tạo hệ thống
Đồ án triển khai thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống cabin kết hợp hút khói hàn độc lập với các thông số kỹ thuật cụ thể:
| Hạng mục cụm cơ cấu |
Thông số kỹ thuật thiết kế |
Vật liệu / Thiết bị tiêu chuẩn |
| Khung cabin chính |
Kích thước: $1150 \times 1150 \times 2000,\text{mm}$ |
Thép hộp, kết cấu tháo lắp bulông |
| Bàn làm việc hàn |
Kích thước: $500 \times 400 \times 1150,\text{mm}$ |
Thép tấm định hình, chịu nhiệt |
| Cơ cấu ghế nâng hạ |
Tải trọng tính toán: $P = 600,\text{N}$, $F = 630,\text{N}$ |
Vít me - đai ốc bi SFH02510-3.8 ($d = 25,\text{mm}$, $p_s = 12{,}5,\text{mm}$) |
| Hệ thống chụp & quạt hút |
Chụp hút cục bộ gắn phía trên vùng hàn |
Quạt ly tâm/hút chuyên dụng, đường ống chịu nhiệt chống bắt lửa |
| Hệ thống lọc khí |
Bộ lọc dạng tấm lọc cơ học / hấp phụ |
Tấm lọc giữ bụi mịn và giảm thiểu khí độc |
| Hệ thống điện & chiếu sáng |
Bảng điện điều khiển quạt, công tắc đèn |
Đèn chiếu sáng độ rọi $> 300,\text{lux}$, cầu chì/aptomat chống rò |
Quy trình công nghệ gia công trục ren M20x2:
- Nguyên công 1: Tiện mặt đầu và khoan lỗ tâm.
- Nguyên công 2: Tiện ngoài định hình trụ dẫn hướng.
- Nguyên công 3: Tiện ren ngoài M20x2 (nhiều lượt cắt theo chiều sâu t).
- Nguyên công 4: Tiện cắt đứt mặt đầu và kiểm tra kích thước.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về công nghệ hàn
Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức cơ bản về hàn kim loại – quá trình công nghệ nối liền các chi tiết thành khối không tháo rời thông qua việc nung nóng cục bộ đến trạng thái nóng chảy hoặc dẻo. Tác giả phân tích các ưu điểm (tiết kiệm 10–20% kim loại so với tán đinh/bulông, tiết kiệm đến 50% so với đúc) và các nhược điểm (ứng suất dư, biến dạng nhiệt).
Nội dung chương trình bày các phương pháp hàn phổ biến:
- Hàn MIG/MAG: Sử dụng hồ quang điện giữa dây hàn cấp liên tục và vũng chảy dưới sự bảo vệ của khí trơ (Argon, Heli) hoặc khí hoạt tính ($\text{CO}_2$).
- Hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ: Nâng cao năng suất và chất lượng mối hàn trong công nghiệp đóng tàu, bồn áp lực.
- Hàn TIG: Sử dụng điện cực Wolfram không nóng chảy trong môi trường khí trơ, cho mối hàn thẩm mỹ cao trên thép không gỉ, nhôm, titan.
- Hàn điện tiếp xúc (hàn điện trở): Nối các chi tiết tấm không cần kim loại điền đầy.
Phần cuối chương phân tích các quy định an toàn lao động trong phân xưởng hàn: trang bị bảo hộ chuyên dụng (mặt nạ hàn, găng tay, tạp dề cách nhiệt, giày cách điện), điều kiện vi khí hậu, độ rọi chiếu sáng phân xưởng ($> 300,\text{lux}$), an toàn điện và an toàn phòng chống cháy nổ khi hàn trong không gian kín.
Chương 2: Hệ thống hút khói hàn
Chương 2 tập trung khảo sát cấu tạo, thành phần và tác hại của khói hàn cùng các giải pháp xử lý. Khói hàn sinh ra từ quá trình bay hơi của kim loại và chất trợ dung (90% lượng khói phát sinh từ sự thiêu đốt thuốc bọc que hàn và dây hàn). Các hạt khói có kích thước $0{,}01 - 1,\mu\text{m}$ tại nguồn hồ quang; các hạt $< 5,\mu\text{m}$ có khả năng thâm nhập sâu vào phế nang phổi, gây viêm phổi, hen suyễn, sốt hơi kim loại và ung thư.
Chương này cũng phân loại các loại thuốc hàn (dạng nung chảy, dạng gốm, dạng thiêu kết) và ảnh hưởng của tia cực tím từ ánh sáng hồ quang gây ra bệnh đau mắt hàn ("Arc Eye" - viêm kết mạc cấp tính) và bỏng da. Về phương hướng xử lý, tác giả trình bày nguyên tắc hệ thống xử lý khói: khí thải từ vùng hàn được thu gom qua miệng chụp hút cục bộ, dẫn qua đường ống chống bắt lửa vào quạt hút và bộ lọc khí, sau đó thải ra môi trường bên ngoài phân xưởng.
Chương 3: Tính toán thiết kế cabin hàn, tay hàn đa năng và hệ thống hút khói hàn
Chương 3 trình bày các bước tính toán động học, động lực học và kết cấu chi tiết của hệ thống:
- Tính toán ghế ngồi làm việc: Giả thiết khối lượng người $m = 60,\text{kg}$ ($P = 600,\text{N}$), hệ số ma sát lăn $\mu_l = 0{,}05$, lực ma sát $F_{ms} = 30,\text{N}$, tổng lực dọc trục $F = 630,\text{N}$. Bước vít $p_s = 12{,}5,\text{mm}$, số mối ren $z_1 = 2$. Đường kính trong trục vít $d_1 = 12{,}5,\text{mm}$, chiều cao ren $h = 6{,}25,\text{mm}$, đường kính trung bình $d_2 = 18{,}75,\text{mm}$, đường kính ngoài $d = 25,\text{mm}$, góc nâng ren $\gamma = 23^\circ$, góc ma sát tương đương $\rho' = 8{,}5^\circ$. Kiểm nghiệm bền ứng suất thỏa mãn điều kiện $[\sigma] \le 22{,}33,\text{MPa}$. Dựa trên kết quả, nhóm chọn bộ vít me - đai ốc bi SFH02510-3.8.
- Thiết kế kết cấu cabin và phụ kiện: Xác định kích thước khung cabin ($1150 \times 1150 \times 2000,\text{mm}$) dạng modul tháo lắp, bàn làm việc ($500 \times 400 \times 1150,\text{mm}$), rèm che chống tia bức xạ hồ quang, cơ cấu tay kẹp định vị phôi và mạch điện cấp nguồn chiếu sáng, quạt thông gió.
- Tính toán hệ thống hút khói: Xác định công thức tính nhiệt lượng tỏa ra ($Q$), lượng ẩm phát sinh ($W$), lượng khói sinh ra ($G$) trong chu trình hàn để chọn thông số quạt hút và tiết diện đường ống.
Chương 4: Quy trình công nghệ trục ren
Chương 4 lập tiến trình công nghệ gia công cơ khí chi tiết trục ren (thành phần thuộc cơ cấu nâng hạ hoặc kẹp giữ):
- Phân tích yêu cầu kỹ thuật bề mặt gia công, dung sai kích thước và độ nhám bề mặt.
- Phân chia nguyên công và thiết lập sơ đồ gá đặt định vị:
- Nguyên công 1: Khỏa mặt đầu, khoan tâm định vị trên máy tiện.
- Nguyên công 2: Tiện thô và tiện tinh mặt trụ ngoài theo các bậc kích thước.
- Nguyên công 3: Cắt ren ngoài biên dạng M20x2 bằng dao tiện ren chuyên dụng.
- Nguyên công 4: Cắt đứt đúng chiều dài thiết kế.
- Xác định các thông số chế độ cắt chuẩn cho từng bước gia công:
| Nguyên công / Bước công nghệ |
Chiều sâu cắt $t$ (mm) |
Lượng chạy dao $s$ (mm/vòng) |
Vận tốc cắt $v$ (m/phút) |
| Tiện mặt đầu (Nguyên công 1) |
$1{,}5 - 2{,}0$ |
$0{,}2 - 0{,}3$ |
$60 - 80$ |
| Tiện ngoài trụ (Nguyên công 2) |
$1{,}0 - 1{,}5$ |
$0{,}15 - 0{,}25$ |
$75 - 90$ |
| Tiện ren ngoài M20x2 (Nguyên công 3) |
$0{,}2 - 0{,}4$ / lượt |
Theo bước ren $P=2,\text{mm}$ |
$20 - 30$ |
Chương 5: Sản phẩm sau khi hoàn thiện
Chương 5 giới thiệu mô hình cabin hàn thực tế sau khi chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh. Hệ thống bao gồm khung cabin thép vững chắc có rèm che bảo vệ, bàn hàn thao tác gắn kèm tay kẹp, ghế thợ hàn có khả năng điều chỉnh độ cao bằng trục vít me, bảng điện điều khiển tích hợp quạt hút và bóng đèn. Nhóm thực hiện chạy thực nghiệm hút khói tại chỗ, ghi hình video hoạt động chứng minh khả năng thu gom khói hàn trực tiếp tại nguồn phát sinh.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Hoàn thành đầy đủ hồ sơ thiết kế gồm thuyết minh tính toán động lực học, bản vẽ 2D chi tiết, mô hình 3D tổng thể và mô phỏng ứng suất ghế ngồi làm việc.
- Chế tạo thành công mô hình cabin hàn thực nghiệm với kích thước chuẩn $1150 \times 1150 \times 2000,\text{mm}$, bàn hàn $500 \times 400 \times 1150,\text{mm}$, cơ cấu nâng hạ ghế dùng cụm vít me bi tiêu chuẩn SFH02510-3.8 chịu tải trọng tính toán $630,\text{N}$.
- Xây dựng quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí trục ren M20x2 với các bảng thông số chế độ cắt ($t, s, v$) hoàn chỉnh.
- Đồ án được hội đồng đánh giá và người hướng dẫn chấm điểm 9/10, ghi nhận hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế và có sản phẩm thực tế.
Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc đưa ra giải pháp cabin khép kín tích hợp chụp hút khói di động, giá thành chế tạo thấp, phù hợp ứng dụng thực tế tại các xưởng đào tạo nghề và cơ sở cơ khí nhỏ tại Việt Nam nhằm giảm thiểu tác hại của khói hàn và tia bức xạ hồ quang.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Theo nhận xét của giảng viên hướng dẫn và nội dung thuyết minh, đồ án chưa xây dựng bảng so sánh định lượng chi tiết giữa thông số của máy tự thiết kế với các dòng máy hút khói công nghiệp thương mại nhập khẩu trên thị trường để làm nổi bật ưu, nhược điểm; hệ thống lọc khí mới dừng lại ở mức độ thực nghiệm thu gom cục bộ cơ bản.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Nghiên cứu tích hợp các tầng lọc chuyên sâu (như màng lọc HEPA và than hoạt tính) để xử lý triệt để hơi khí độc hóa học ($\text{Cr(VI)}$, $\text{O}_3$, $\text{CO}$) trước khi xả ra môi trường.
- Lắp đặt cảm biến tự động kích hoạt quạt hút theo tín hiệu phát sinh hồ quang hàn để tiết kiệm điện năng.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử: Tham khảo quy trình thiết kế máy hoàn chỉnh, các công thức tính toán kiểm nghiệm bộ truyền trục vít me - đai ốc, phương pháp lập bảng chế độ cắt và quy trình công nghệ gia công tiện chi tiết trục ren.
- Giảng viên và cán bộ quản lý xưởng thực hành cơ khí: Sử dụng làm tài liệu tham khảo để chế tạo các cabin thực hành hàn an toàn, giá thành thấp, bảo vệ sức khỏe cho học sinh, sinh viên.
- Kỹ sư an toàn lao động (HSE) và kỹ thuật môi trường: Tham khảo số liệu tổng hợp về kích thước phân tử khói hàn, nồng độ giới hạn các chất độc hại theo OSHA và nguyên lý bố trí hệ thống thông gió cục bộ trong gia công nhiệt.
Câu hỏi thường gặp
1. Kích thước tổng thể của khung cabin và bàn làm việc hàn trong đồ án là bao nhiêu?
Khung cabin có kích thước bao $1150 \times 1150 \times 2000,\text{mm}$, kết cấu thép tháo lắp. Bàn làm việc hàn có kích thước $500 \times 400 \times 1150,\text{mm}$.
2. Cơ cấu nâng hạ ghế ngồi của thợ hàn được tính toán dựa trên những thông số kỹ thuật nào?
Ghế sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc bi mã SFH02510-3.8, đường kính ngoài $d = 25,\text{mm}$, bước vít $p_s = 12{,}5,\text{mm}$, góc nâng ren $\gamma = 23^\circ$. Tính toán dựa trên khối lượng người $60,\text{kg}$ ($P = 600,\text{N}$), lực ma sát $F_{ms} = 30,\text{N}$, tổng lực dọc trục $F = 630,\text{N}$, ứng suất kéo/nén kiểm nghiệm đạt độ bền an toàn so với giới hạn chảy vật liệu $\sigma_{ch} = 67,\text{MPa}$.
3. Vì sao các hạt khói hàn có kích thước dưới $5,\mu\text{m}$ lại nguy hiểm nhất đối với sức khỏe thợ hàn?
Các phân tử khói hàn có kích thước từ $0{,}1 - 5,\mu\text{m}$ (và dưới $1,\mu\text{m}$ tại nguồn) có khả năng vượt qua hệ thống lông rung và màng nhầy ở mũi, khí quản để đi sâu vào các phế nang của phổi. Các hạt này ngưng tụ tại phổi, khó đào thải tự nhiên, lâu dài gây xơ hóa phổi, viêm phế quản mãn tính và làm ngấm các kim loại nặng độc hại ($\text{Cr(VI)}$, $\text{Mn}$, $\text{Ni}$, $\text{Cd}$) vào máu.
4. Quy trình công nghệ gia công chi tiết trục ren gồm những nguyên công nào?
Quy trình gồm 4 nguyên công chính trên máy tiện: Nguyên công 1 khỏa mặt đầu và khoan lỗ tâm; Nguyên công 2 tiện ngoài định hình các bậc trục; Nguyên công 3 tiện ren ngoài M20x2 với lượng chạy dao $s = 2,\text{mm/vòng}$; Nguyên công 4 tiện cắt đứt mặt đầu và kiểm tra kích thước.
5. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống xử lý khói hàn trong cabin được bố trí ra sao?
Khói hàn và khí nóng phát sinh từ vũng hàn được hút cục bộ qua chụp hút đặt phía trên bàn làm việc, dẫn qua đường ống chịu nhiệt chống bắt lửa, qua quạt hút đưa vào bộ lọc khí để giữ lại bụi mịn và giảm thiểu khí độc trước khi xả ra ngoài nhà xưởng.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Tính toán, thiết kế, chế tạo cabin và hệ thống hút khói hàn" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng đã giải quyết thành công bài toán bảo hộ lao động thực tế trong gia công cơ khí. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết chi tiết máy, công nghệ gia công cắt gọt kim loại và kỹ thuật xử lý môi trường. Sản phẩm mô hình thực nghiệm hoàn thiện đã chứng minh tính khả thi cao, mở ra giải pháp cabin hàn an toàn, chi phí thấp cho các cơ sở đào tạo và xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ.
