Đồ gá hàn kỹ thuật cơ khí

Đồ gá hàn là gì? Đồ gá hàn là thiết bị công nghệ được dùng trong gia công cơ khí, kiểm tra, lắp ráp sản phẩm. Nó được dùng để xác định vị trí phôi so với dụng cụ hàn, giữ chặt phôi tại vị trí cần gia công. Các bộ phận định vị Cơ cấu kẹp chặt Cơ cấu truyền lực Cơ cấu dẫn hướng Thân và đế đồ gá Cơ cấu định vị và kẹp chặt phôi

39 ĐỒ GÁ HÀN

39.1 Tổng quan

Yêu cầu chung đối với tất cả các dạng hàn là cần phải định vị và kẹp phôi (gọi

chung là gá đặt) chính xác Đồ gá hàn thường là thiết bị phổ biến nhất để căn chỉnh

và duy trì các phần tử, chi tiết để hàn Gần như tất cả các đồ gá hàn được thiết kế

và chế tạo chuyên dùng sao cho phù hợp với các yêu cầu cụ thể của một cụm lắp

Vì lí do này, hầu hết các đồ gá hàn đều khá đắt và thường chỉ hợp lí trong sản xuất hang loạt, hàng khối

Khi cần một số lượng hạn chế các kết cấu chế tạo cho một loạt rất nhỏ hoặc đơn chiếc, người ta thường sử dụng các phương pháp định vị và kẹp chặt khác Ví dụ, chúng có thể được định vị và giữ bằng tay hoặc định vị với bất kỳ sự sắp xếp nào của bộ kẹp chữ C-, kẹp thanh, nam châm, hoặc khung vuông trên đế gang đúc Có thể sử dụng đồ gá tạm thời, nếu thời gian và tính kinh tế cho phép Bất kể số lượng sản xuất liên quan, mỗi vật hàn phải được định vị và kẹp chặt đúng cách để đảm bảo rằng nó được chế tạo chính xác

Phần này nhằm hướng dẫn về việc lựa chọn các thiết bị định vị và dụng cụ thích hợp, cung cấp các đề xuất để tạo điều kiện cho các ứng dụng đồ gá được cải tiến Thách thức liên quan đến việc lựa chọn phương pháp gá đặt phù hợp nhất cho ứng

dụng về chi phí và phù hợp với mục đích (fitness for purpose) Các tiêu chí này rất

khác nhau giữa các ứng dụng vì chúng liên quan đến các lựa chọn đồ gá và định vị khác nhau

39.2 Đồ gá

Trong kĩ thuật hàn tiếng Anh, các thuật ngữ fixture, jig và tooling về cơ bản có

cùng nghĩa Chức năng của đồ gá fixture là tạo điều kiện thuận lợi cho tương quan

vị trí giữa bản thân các phôi hoặc giữa phôi và dụng cụ trong quá trình gá lắp vật hàn Việc sử dụng đồ gá fixture giúp tăng dung sai gá lắp, dẫn đến các vật hàn được chế tạo ra với năng suất cao, ít biến dạng hơn và với chi phí thấp hơn, chất lượng làm ra luôn ổn định Mối hàn có thể được liên kết một phần hoặc hoàn toàn trong đồ gá Nếu cụm lắp được hàn đính với nhau và tháo ra trước khi hàn, thì thiết

bị được sử dụng thường được gọi là bộ gá đính hoặc bộ gá lắp

Đồ gá phục vụ ba mục đích chính Chúng được sử dụng làm đồ gá đính, đồ gá hàn và đồ gá kẹp Những lợi ích của việc gá đặt bao gồm:

1) Giảm thiểu việc quyết định và các phép đo cần thiết của người thợ liên quan đến vị trí và hướng của vật hàn,

2) Cải thiện khả năng nhận biết dung sai các phôi bị vượt quá,

3) Tăng cường khả năng gá đặt phôi để dung sai chặt chẽ hơn,

4) Giảm thiểu biến dạng hàn,

5) Cần ít lao động sản xuất hơn để chế tạo sản phẩm hàn,

6) Cải thiện tính đồng nhất và chất lượng hàn,

7) Ít lỗi sản phẩm hơn do tính toán nhận biết được đồ gá thích hợp

Đồ gá và bộ định vị tăng cường thực hiện các quá trình hàn tay, bán tự động và hoàn toàn tự động bằng cách tối đa hóa định hướng liên kết hàn để cho phép hàn ở

tư thế phẳng Tùy thuộc vào độ phức tạp của thiết kế, đồ gá có thể phải chế tạo tốn kém Tuy nhiên, chúng có hiệu quả về chi phí do năng suất cao hơn và chất lượng mối hàn được cải thiện từ việc sử dụng chúng

Việc thiết kế và chế tạo đồ đạc phải phản ánh đúng số lượng vật hàn được sản xuất Nếu số lượng sản phẩm nhỏ, có thể được sản xuất trên các đồ gá tạm thời được lắp riêng cho sản phẩm đó Đối với số lượng lớn trong sản xuất hang loạt, hàng khối, đồ gá thường là phần không thể thiếu của hệ thống sản xuất Chúng có thể gồm các thiết bị kẹp hoặc lắp tự động vào bộ định vị và thích hợp hàn bằng máy hàn tự động hoặc robot công nghiệp

Một số thành phần chi tiết đồ gá tiêu chuẩn, gồm các cơ cấu kẹp hạng nhẹ và hạng nặng, có sẵn trên thị trường Các cơ cấu, cụm này có thể được kết hợp vào các thiết bị cố định chuyên dụng cho các hoạt động sản xuất lớn Các cơ cấu cũng tạo thành các đồ gá có thể điều chỉnh hoặc dạng modular dễ dàng biến đổi phù hợp với sản phẩm chạy trong thời gian ngắn Đối với hầu hết các chi tiết, đồ gá có thể được mua từ các nhà tích hợp hệ thống định vị và đồ gá, từ cửa công cụ và khuôn hoặc các xưởng cơ khí Ngoài ra, chúng có thể được thiết kế và chế tạo từ những kĩ thuật viên, công nhân vận hành nhà máy để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất một hoặc nhiều cụm lắp

39.2.1 Các yêu cầu thiết kế cơ bản

Các thiết kế đồ gá nên kết hợp nhiều tính năng mong muốn Lí tưởng là đồ gá phải đơn giản và không đắt cũng như có khả năng tạo ra kết cấu hàn chỉ gia công tối thiểu trong khi vẫn kiểm soát các kích thước và dung sai thiết yếu của phôi Liên kết hàn phải tiếp cận được qua các lỗ, rãnh hoặc vết cắt trên đồ gá với định vị phù hợp nhất có thể để hàn ở tư thế phẳng bất cứ khi nào có thể

Ngoài ra, đồ gá sản xuất thường có cấu tạo để cứng vững hơn các vật hàn đang được chế tạo Các bộ phận của dụng cụ tiếp xúc điểm, chốt tì phải được làm bằng thép dụng cụ hoặc đồng loại class III Chúng nên được ghép nối với nhau bằng chốt hoặc khóa lại để đảm bảo độ chính xác và dễ thay thế

Khi hàn, cơ cấu chốt giữ, kẹp, điều khiển khí nén và ren của bu lông và đai ốc phải được bảo vệ khỏi bắn tóe từ hồ quang hàn Cylinder kẹp khí nén phải kẹp ở vị trí thu vào để bảo vệ cần cylinder khỏi giọt bắn tóe Đường ống khí nén phải là ống cứng hoặc ống chống cháy với lớp bảo vệ chống lại sự bám của giọt bắn tóe Vì các đầu chìm bu lông lắp có xu hướng bị lấp đầy bằng giọt bắn tóe, nên các bu lông đầu nhô, có thể kẹp để tháo ra dễ dàng, được ưu tiên hơn

Thiết kế đồ gá phải cho phép lắp phôi với số lượng tối thiểu các mối hàn tạm thời,

để có thể nhìn thấy sau khi hàn xong Chúng cũng phải tạo điều kiện thuận lợi cho

vị trí của các phôi khi lắp ráp, cung cấp khả năng điều chỉnh linh hoạt khi hàn và đảm bảo dễ dàng lấy phôi khỏi đồ gá sau khi hàn Để tính đến các phản ứng nhiệt, thiết kế nên sử dụng các vật liệu hạn chế biến dạng hoặc hỏng hóc Độ vồng hoặc dải dẫn nhiệt, được sử dụng để kiểm soát biến dạng, phải tạo ra sự di chuyển tự do theo một hướng để bù co ngót và chuyển động theo góc của các phần khi mối hàn nguội trong đồ gá

Đối với tính dẫn điện, điểm kết nối dây dẫn đến phôi và việc lựa chọn kẹp và vật liệu được sử dụng trong đồ gá là những cân nhắc quan trọng để nối đất hiệu quả và loại bỏ các điều kiện hồ quang không ổn định Các thiết kế phải cho phép gia nhiệt, làm nguội hoặc lót xông khí trơ cho các mối hàn, khi cần thiết Tùy thuộc vào mức

độ tinh vi hiện đại, việc phát hiện phôi, phản hồi hệ thống và khóa liên động điều khiển có thể được xem xét trong thiết kế đồ gá

Người thiết kế phải quyết định sẽ hàn bao nhiêu mối hàn khi phôi ở trong đồ gá

Ví dụ, mặt sau của mối hàn thấu hoàn toàn có thể bị lồi sau khi vật hàn được tháo

ra khỏi đồ gá Phải hàn đủ số lượng mối hàn trong đồ gá để hạn chế việc biến dạng trong quá trình lắp ngoài đồ gá Vì hầu hết các mối hàn được chế tạo dưới dạng các cụm lắp tổ hợp, nên dung sai là rất quan trọng Tuy nhiên, các kích thước trung gian thường ít quan trọng hơn so với các kích thước cuối và kích thước khuôn khổ, các kích thước này kiểm soát khi lắp sau cùng

Các quy trình sau đây cần được tuân thủ khi thiết kế đồ gá:

1) Rà soát tất cả dữ liệu kỹ thuật và chế tạo phôi phù hợp – tập trung vào hình dạng, gá và các chức năng của sản phẩm – phát triển khái niệm thiết kế dự kiến;

2) Xem xét tất cả các tiêu chí hoạt động thích hợp – gồm khả năng truyền nhiệt

và nối đất, hướng chất tải chi tiết và khả năng tiếp cận, dòng chảy và diễn biến chi tiết, bảo trì mài mòn – phát triển khái niệm thiết kế dự kiến;

3) Khảo sát tất cả dữ liệu quá trình thích hợp – gồm quá trình hàn, khả năng tiếp cận và định hướng mối hàn, nối đất, từ tính và thanh kiểm tra – phát triển các khái niệm dự kiến;

4) Xem xét tất cả các tiêu chí thích hợp của người vận hành bao gồm các vấn

đề về công thái học, an toàn và cân nhắc xử lí từng phần – phát triển các khái niệm thiết kế dự kiến;

5) Đánh giá các thiết kế dự kiến đã chọn để xác định đồ gá tiết kiệm nhất cho từng chi tiết, có tính đến thiết kế, chế tạo, vận hành, khấu hao và mọi chi phí khác

Liên quan đến các cân nhắc về an toàn, thiết kế đồ gá phải cung cấp cho người vận hành, phôi, đồ gá và dụng cụ một môi trường làm việc an toàn, tiện lợi trước, trong và sau chu trình làm việc

39.2.2 Các hệ thống kẹp và giữ

Các cơ cấu kẹp không chỉ phải tác dụng và duy trì đủ lực giữ trên phôi mà còn phải chống lại các lực tác động nhiệt và lực dụng cụ Để thiết kế bộ kẹp phù hợp, cần phân tích kĩ lưỡng phôi và các lực tác động lên nó Thiết kế kẹp tốt có thể giảm chi phí quy trình và sản phẩm bằng cách tăng chất lượng và năng suất Một loạt các

cơ cấu kẹp có thể được tích hợp vào đồ gá hàn Chúng bao gồm các vít; dây đai; cam; móc; và các thiết bị thủy lực, khí nén, từ tính và chân không

Các yếu tố sau đây cần được xem xét khi chọn cơ cấu kẹp:

1) Áp lực kẹp phải tác động đỡ phôi mà không bị biến dạng và ngăn ngừa cong lệch quá mức hoặc hư hỏng hóc;

2) Phôi gia công phải được giữ ở vị trí và định hướng thích hợp, cho phép dự đoán được ảnh hưởng thay đổi nhiệt đến đặc tính vật hàn;

3) Việc đặt tải và dỡ tải phải thực hiện nhanh chóng và dễ dàng mà không bị dính kẹt;

4) Hoạt động an toàn nên được đảm bảo trong suốt chu trình làm việc;

5) Cần đảm bảo độ dẫn điện tốt;

6) Phải cung cấp tản nhiệt hoặc giữ nhiệt, theo yêu cầu;

7) Cần có tay cầm với nắm to, dài để thuận tiện cho thao tác thủ công với găng tay;

8) Cơ cấu phải hoạt động như một phần tích hợp của đồ gá mà không bị cản trở

39.2.3 Công cụ module

Việc sử dụng các tấm và công cụ module cho phép tăng tính linh hoạt bằng cách cung cấp các đồ gá hiệu quả, có thể thay thế lắp lẫn cho nhau Hình 9.1 mô tả ứng dụng gá module điển hình để chế tạo khung đỡ máy Sản phẩm này cung cấp bề mặt làm việc chính xác, ổn định với các mẫu lỗ chính xác cho vô số các thành phần giữ, định vị, giằng và kẹp Vì công cụ module có thể tháo rời được, nó yêu cầu ít không gian lưu trữ hơn so với đồ gá thông thường

Hình 39.1 — Hệ công cụ module

Hình 39.2 mô tả các biến thể điển hình của công cụ module có thể làm đồ gá cho hầu như bất kỳ vật hàn nào Tính linh hoạt này rất hữu ích cho công việc tùy chỉnh, tạo mẫu và các yêu cầu vận hành sản xuất khác nhau

Hình 39.2 — Các biến thể công cụ module

39.2.4 Các ứng dụng

Mặc dù trong chế tạo kim loại, nhiều dạng và biến thể của đồ gá được sử dụng, hầu hết chúng thuộc ba loại lớn Đó là đồ gá hàn đính, đồ gá hàn và đồ gá giữ kẹp

39.2.4.1 Đồ gá hàn đính

Đồ gá hàn đính được sử dụng để định vị các chi tiết thành phần của vật hàn theo hướng thích hợp phù hợp với việc gá cho hàn đính Vật hàn được tháo khỏi đồ gá sau khi đính, quá trình hàn kết thúc được thực hiện trong nguyên công hoặc đồ gá khác Cấu tạo của đồ gá hàn đính có thể đơn giản vì những đồ gá này thường không cần phải chịu được ứng suất nhiệt như ứng suất sinh ra với đồ gá hàn Hình 39.3a và b trình bày đồ gá hàn đính tương ứng trong điều kiện không tải và có tải

Hình 39.3 — Đồ gá hàn đính: a) Không tải; b) Chịu tải

39.2.4.2 Đồ gá hàn sản xuất

Đồ gá hàn được sử dụng để giữ kẹp các chi tiết, thành phần của vật hàn theo hướng thích hợp với gá lắp trong khi hàn được thực hiện trên vật hàn Những đồ gá này về cơ bản loại bỏ việc xử lí bổ sung Chúng có cấu tạo để chịu được ứng suất nhiệt và áp lực của vật hàn trong quá trình hàn Đồ gá hàn đường, đồ gá chính xác

và một số đồ gá hàn robot phù hợp với hạng này

Đồ gá hàn đường được thiết kế để định vị vật hàn đường thẳng ở tư thế bằng hoặc đứng Hình 39.4 giới thiệu hệ thống hàn đường bên ngoài Các dải kép của các đòn kẹp giữ các thành phần phôi đối diện với nhau để hàn giáp mối có chất lượng nhất quán

Hình 39.4 — Đồ gá hàn đường.

Hình 39.5a mô tả cách bố trí tấm kẹp phẳng bên trong điển hình để hàn dọc hình trụ trong (hàn đường sinh) và các tấm phẳng Hình 39.5b trình bày mặt cắt ngang

bố trí tấm kẹp phẳng bên ngoài thường được sử dụng cho các mối hàn đường sinh ngoài Trục gá và thanh đáy đóng vai trò đỡ và tản nhiệt tại khu vực kẹp liên kết hàn Các trục gá hoán đổi cho nhau có thể được sử dụng để hàn các tấm phẳng, hình trụ, hình côn, góc và cấu hình dạng hộp hở Gia nhiệt, làm nguội, trợ dung và khí trơ có thể được sử dụng cùng trục gá vơi thanh đáy để cải thiện chất lượng hàn

Đồ gá này được thiết kế để tạo điều kiện thuận lợi khi hàn độ thấu đến 100% với biến dạng tối thiểu

Hình 39.5 — Mặt cắt đồ gá kẹp hàn đường: a) Tấm phẳng trong; b) Bên ngoài

Đồ gá hàn chính xác được thiết kế để sản xuất chế tạo với độ chính xác cao, dung sai nhỏ Các đồ gá chính xác điển hình được thể hiện trong hình 39.6, 39.7 và 39.8 Hình 39.6 mô tả cụm lắp phụ đầu bên phải là một trong những chi tiết của cụm hàn

hệ thống bệ phóng điện tử tăng cường bằng nhôm (ELES) cho Chương trình Nâng cao khả năng tên lửa Patriot (PAC 3) Cụm lắp hàn ELES này sẽ chứa tất cả các thiết bị điện tử cần thiết để tên lửa giao tiếp với bệ phóng Ngoài đồ gá chính xác này, yêu cầu quy trình hàn và lắp ráp chi tiết theo từng bước cùng với một số bản thông số kĩ thuật quy trình hàn (WPS) để đáp ứng dung sai chế tạo là 0.762 mm (0.030 in)

Hình 39.6 — Đồ gá hàn cho Hệ thống hàn điện tử (ELES) của Chương trình PAC 3

Hình 39.7 trình bày cách bố trí đồ gá hai mảnh để hàn khớp nối sensor oxy vào thân dập bộ chuyển đổi xúc tác Sensor oxy được đặt trên đường tâm của trục chính máy Bộ cố định và dụng cụ xoay 360° trong khi mỏ hàn được điều khiển bằng cam để theo liên kết hàn

Hình 39.7 — Đồ gá hàn hai mảnh

Cấu tạo đồ gá ba mảnh để hàn đồng thời các đường ống đầu vào và đầu ra với thân bộ chuyển đổi xúc tác được thể hiện trong hình 39.8 Đồ gá thân bộ chuyển đổi xúc tác được gắn trong giá kẹp hình vỏ sò ở giữa có bản lề mở ra để tạo điều kiện thuận lợi cho việc nạp và dỡ phôi Giá kẹp tâm được đồng bộ cơ học với các trục chính quay bên ngoài Ba thành phần rời được xoay 360° để hàn Khi đầu vào

và đầu ra của bộ chuyển đổi xúc tác được dịch chuyển bù, cần chuyển động của mỏ hàn được điều khiển bằng cam để theo dõi liên kết hàn

Hình 39.8 — Đồ gá hàn ba mảnh.

Các đồ gá hàn robot phải cho phép robot tiếp cận phôi mà không bị cản trở Do

đó, các đồ gá này phải có các kẹp profile thấp nằm cách xa đường hàn Chúng có ít nhất hai điểm tham chiếu có mối quan hệ cố định với các đường hàn của phôi Sau

đó, robot được lập trình để xác định vị trí các điểm tham chiếu trên đồ gá Các điểm tham chiếu thiết lập một hệ tọa độ, mà robot sử dụng để tìm đường đi theo các đường hàn trên phôi

Đồ gá hàn robot phải được thiết kế để cho phép phôi được chất tải và tháo ra nhanh chóng Tế bào robot trong hình 39.9 gồm một bàn xoay và cấu hình ụ trạm kép trước và sau cho phép người vận hành chất tải và tháo phôi trong khi robot vẫn thực hiện hàn sản xuất phía sau vách ngăn Khi hoàn thành chu trình, bàn xoay sẽ quay 180° và quá trình này được lặp lại

Hình 39.9 — Người thợ chất tải là cụm lắp lên đồ gá trong trạm hàn robot

Cần xem xét kiểm tra đồ gá cho các vật hàn phức tạp, tinh vi hoặc cồng kềnh, để xác định tính khả thi và mức độ thực tế của việc đặt đồ gá sao cho hoàn thành việc hàn chỉ trong một giai đoạn Trong nhiều trường hợp, phải sử dụng nhiều đồ gá để hoàn thành kết cấu hàn Ví dụ, các thành phần của vật hàn có thể được đính trong

đồ gá hàn đính hoặc các cụm lắp được chế tạo trong một đồ gá hàn và sau đó được chuyển đến đồ gá giữ, thường là bộ định vị, để xử lí vật hàn trong một chuỗi cụm lắp phụ có thể quản lí được

39.2.4.3 Đồ gá giữ kẹp

Đồ gá giữ kẹp được thiết kế để duy trì các thành phần hoặc cụm lắp phụ đã được đính trước theo hướng thích hợp trên bộ định vị Những đồ gá này có thể có cơ cấu định vị không thể thiếu trong thiết kế của chúng để đạt được hướng hàn thích hợp trong vật hàn Giống như đồ gá hàn, đồ gá giữ kẹp có cấu tạo để chịu được ứng suất nhiệt và áp lực mà vật hàn phải chịu trong quá trình hàn Trong hình 39.14, khung bánh xích được giữ trên khung lõm giữa trong đồ gá giữ kẹp