nghiên cứu công nghệ hàn tự động trong không gian nhiều chiều có điều khiển theo chương trình số phục vụ cho hàn vỏ tàu và thiết bị hóa dầu

Chương II Thiết kế chế tạo đồ gá hàn trong không gian nhiều chiều Trong cụng nghiệp chế tạo kết cấu hàn cỏc thiết bị và đồ gỏ hàn tự động thụng thường được phõn loại theo cỏc tiờu chớ s

Bản quyền 2005 thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí

Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này

phải gửi đến Viện trưởng Viện Nghiên cứu Cơ khí trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu

Chương II Thiết kế chế tạo đồ gá hàn trong

không gian nhiều chiều

Trong cụng nghiệp chế tạo kết cấu hàn cỏc thiết bị và đồ gỏ hàn tự động thụng thường được phõn loại theo cỏc tiờu chớ sau:

- Theo cỏch dịch chuyển tương đối đối với mối hàn: gồm loại đồ gỏ tự hành và loại đồ gỏ khụng tự hành Trong đồ gỏ tự hành cơ cấu chuyển động được gắn liền và nằm trong từng (thành) phần của đồ gỏ Cũn đồ gỏ khụng tự hành dịch chuyển nhờ tỏc động của cỏc cơ cấu chuyển động từ bờn ngoài

- Phõn loại theo dạng điện cực hàn: hàn với điện cực (dõy hàn) núng chảy và hàn với điện cực khụng chảy (cú hoặc khụng cú kim loại bự được đưa vào)

- Đối với dạng dõy hàn núng chảy đồ gỏ được phõn loại theo 3 loại chớnh: điện cực dạng dõy hàn (dõy lừi đặc hoặc bột); điện cực dạng băng (dõy lừi bột hay lừi đặc); điện cực dạng thanh (que hàn )

- Đồ gỏ và thiết bị được phõn loại theo phương phỏp bảo vệ vựng hàn: Khụng cú bảo vệ (tự bảo vệ); cú bảo vệ (dựng khớ để bảo vệ vựng hàn); bảo

vệ bằng trợ dung hàn (trợ dung gốm hoặc trợ dung nấu chảy)

- Phõn loại theo tớnh năng cụng nghệ: đồ gỏ hoặc thiết bị cho hàn nối chế tạo kết cấu hoặc đồ gỏ thiết bị cho hàn đắp phục hồi chi tiết

- Phõn loại theo đặc tớnh điện của dũng hàn: Hàn bằng dũng xoay chiều, hàn bằng dũng một chiều, và hàn phối hợp

- Theo phương phỏp làm nguội đầu hàn: Đầu hàn được làm nguội tự nhiờn, đầu hàn được làm nguội cưỡng bức bằng khớ hoặc nước

- Theo phương phỏp điều chỉnh tốc độ cấp dõy hàn: điều khiển bậc, điều khiển mềm hoặc phối hợp cả hai cỏch

- Theo tớnh chất của phương phỏp cấp dõy: khụng phụ thuộc vào điện

- Phân loại theo cách điều chỉnh tốc độ hàn: điều khiển mềm, điều khiển từng bậc hoặc điều khiển hỗn hợp

- Theo số lượng điện cực hàn: hàn một dây, hàn hai dây, hàn nhiều dây

- Theo số lượng nguồn hồ quang: Hàn một hồ quang, hàn hồ quang kép

và hàn nhiều hồ quang đồng thời

- Phân loại đồ gá thiết bị theo phương pháp tạo dáng mối hàn: tạo dáng mối hàn tự do (thông thường ở tư thế hàn bắng); và tạo dáng mối hàn cưỡng bức (thường áp dụng cho hàn trên mặt thẳng đứng, bề mặt nghiêng và tư thế hàn trong không gian)

Đồ gá và thiết bị hàn làm việc trong những điều kiện khó khắn và phức tạp: nhiệt độ cao, rung động, bụi, khí độc hại vì vậy thông thường đồ gá hoặc thiết bị được thiết kế để hoạt động trong thời gian ít nhất là 5 năm khi làm việc một ca và đồng thời bảo đảm thay thế kịp thời các chi tiết mau mòn Đồ

gá hoặc thiết bị được qui định thời gian đại tu lần đầu không dưới 2000 giờ làm việc liên tục

2.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị:

Trên cơ sở nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài là thiết kế chế tạo bộ đồ gá hàn vỏ tầu và thiết bị hóa dầu có điều khiển chương trình số cũng như sau khi

đã phân tích đánh giá cụ thể về các công nghệ hàn phổ biến áp dụng trong sản xuất, đề tài lựa chọn chế tạo đồ gá hàn tự động dịch chuyển theo xích để phù hợp với các biên dạng không gian khác nhau của nhiều chủng loại tầu và thiết

bị hóa dầu có kích thước khác nhau

Công nghệ hàn được lựa chọn là công nghệ hàn dây lõi đặc (hoặc dây lõi bột) trong môi trường khí bảo vệ (hoặc tự bảo vệ) với đường kính dây hàn

từ 0.8 - 1.6 mm Điều này đảm bảo cho khả năng áp dụng phù hợp với hầu hết chiều dầy thép (8 – 30 mm) của các loại vỏ tầu và thiết bị hóa dầu thông dụng

Khí bảo vệ được dùng là khí CO2 hoặc hỗn hợp Ar + CO2

2.1.1 Tốc độ dịch chuyển xe hàn:

Đồ gá hàn được thiết kế chủ yếu cho các dạng mối hàn trên bề mặt thẳng đứng theo phương từ dưới lên hoặc từ trên xuống Ngoài ra cũng có thể

sử dụng để hàn các đường hàn trên mặt phẳng nằm ngang

Thông thường khi hàn trên mặt phẳng nằm ngang tốc độ hàn tự động đối với thiết bị hàn tự động một dây từ 10 – 80 m/h, tốc độ hàn leo đối với các mối hàn trên bề mặt thẳng đứng 3 – 30 m/h

2.1.2 Tốc độ cấp dây hàn:

Tùy thuộc vào phương pháp hàn, ứng vào mỗi phương pháp hàn ta có tốc độ cấp dây khác nhau Thông thường dải tốc độ cấp dây từ 600 – 900 m/h Trong đề tài này, đối với công nghệ hàn vỏ tầu và thiết bị hóa dầu sử dụng phương pháp hàn thẳng đứng theo chiều từ trên xuống thì lựa chọn thiết

bị cấp dây với tốc độ cấp dây tối đa 900 m/h

vệ bằng lớp trợ dung nấu chảy

Trong đề tài này, do hàn theo phương pháp hàn thẳng đứng theo chiều

từ trên xuống nên ta chọn phương pháp bảo vệ vùng hàn bằng khí bảo vệ

CO2

Là bộ nguồn hàn một chiều dòng hàn tối đa 350A, điều khiển mềm dòng hàn và điện áp hàn trong dải thông số công nghệ cần thiết, điện cực hàn loại một dây có hệ thống cấp khí tự động

2.2 Kết cấu của các cụm chi tiết chính

Các cụm chi tiết chính được thiết kế để đáp ứng được các yêu cầu đặt

ra của công nghệ hàn như: tốc độ cấp dây (dòng hàn), điện áp hàn, tốc độ hàn, tốc độ dao động đầu hàn, bảo vệ vùng hàn (khí bảo vệ)

Như vậy, để đáp ứng được các yêu cầu trên ta cần phải có các cơ cấu chấp hành thực hiện như: bộ cấp dây, xe hàn, bộ dao động đầu hàn, hệ thống cấp khí

2.2.1 Xe hàn:

Do đề tài là hàn trong không gian, hàn những biên dạng phức tạp chủ yếu các mối hàn là hàn trên bề mặt thẳng đứng theo chiều từ trên xuống cho nên xe hàn cần phải gọn, nhẹ, chạy ổn định, phù hợp với kết cấu biên dạng hàn

Để đáp ứng được các yêu cầu đó, nhóm đề tài lựa chọn đưa ra kết cấu của xe hàn như sau: Thân xe, trục chuyển động, xích, hộp giảm tốc, động cơ điện một chiều, Tất cả được miêu tả chi tiết dưới đây:

- Thân xe có kết cấu hình hộp, để đáp ứng yêu cầu về sự nhỏ gọn và nhẹ nên đã chọn vật liệu là hợp kim nhôm làm vật liệu của thân xe Trên thân xe

có các lỗ và các chi tiết công nghệ khác để tiện cho quá trình lắp ráp

- Để chuyển động được thì thân xe được đặt trên hai trục, mỗi trục được gắn thêm 2 bánh xe có thể dịch chuyển tiến hoặc lùi khi tác động lực Trong

đó, có một trục và hai bánh là chủ động Trục chủ động được gắn thêm bánh vít để ăn khớp với bánh vít của hộp giảm tốc Trên mỗi trục còn được chế tạo một cặp nhông xích, hai cặp nhông này được đặt trên cùng một mặt phẳng, cùng chuyển động khi gắn trên xích và trục chủ động chuyển động

- Xe chuyển động bằng cơ cấu bánh răng xích, tức là khi bốn bánh xe

sự ăn khớp giữa hai cặp nhông với xích mà giữ cho xe bám chặt trên bề mặt chi tiết hàn và chuyển động trên nó (hai đầu xích được bắt chặt ở hai đầu chi tiết hoặc đồ gá chi tiết)

- Để xe chuyển động tự động được thì cần phải gắn thêm động cơ điện một chiều có hộp giảm tốc trung gian hai cấp dạng trục vít bánh vít để tăng

mô men khởi động Động cơ điện một chiều được điều khiển bởi chương trình

số (điều khiển số), để điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp với yêu cầu công nghệ hàn đề ra

- Động cơ chuyển động được theo hai chiều: chiều lên và chiều xuống Hai chiều đều điều khiển mềm được

2.2.2 Cơ cấu cấp dây:

Do công nghệ hàn sử dụng dây hàn làm kim loại đắp cho nên cần có cơ cấu cấp dây cho phù hợp với yêu cầu công nghệ đề ra Cơ cấu cấp dây gồm: động cơ chuyển động một chiều có hộp giảm tốc được điều khiển mềm theo yêu cầu, hệ thống các puli , cơ cấu kẹp,

- Động cơ điện một chiều gắn liền hộp giảm tốc có điều khiển chương trình số để điều chỉnh được tốc độ theo yêu cầu công nghệ đề ra, dải điều chỉnh từ 0 – 900 m/h (tốc độ cấp dây), điều khiển mềm

- Động cơ được điều khiển chuyển động theo cả hai phương cấp dây và lùi dây

- Hệ thống các puli phù hợp với các loại đường kính dây khác nhau từ 0,8 – 1.6 mm Hệ thống puli có loại puli chủ động và bị động, trên puli chủ động được gia công thêm một rãnh côn có kích thước tướng ứng với mỗi loại đường kính dây Ví dụ, dây thì có puli chủ động tương ứng Φ1.2 Rãnh côn

có tác dụng dẫn hướng cho dây chạy thẳng vào ống dẫn dây, đồng thời không cho dây trượt ra khỏi puli Puli chủ động được gắn với hộp giảm tốc động cơ

có tác dụng truyền chuyển động, còn puli bị động gắn trên cơ cấu kẹp có tác dụng ép dây sát xuống puli chủ động để khi động cơ chuyển động sẽ đẩy dây

- Cơ cấu kẹp dẫn dõy nhờ lũ xo ộp puli bị động xuống sỏt puli chủ động với một lực vừa đủ cần thiết cho chuyển động của dõy mà dõy khụng bị bẹp

Cơ cấu kẹp cũng điều chỉnh được lực kẹp phự hợp với kớch thước đường kớnh dõy

2.2.3 Hệ thống cấp khớ:

Do yờu cầu cụng nghệ hàn sử dụng dõy lừi bột cú khớ bảo vệ khi hàn để trỏnh khuyết tật mối hàn, nờn cần cú hệ thống cấp khớ bảo vệ (khớ bảo vệ trong đề tài sử dụng là khớ CO2) Gồm cú:

- Bỡnh chứa khớ (CO2) TCVN, ỏp suất khớ nộn trong bỡnh là 150 kg/cm2

- Đồng hồ đo ỏp lực khớ và đồng hồ đo lưu lượng khớ

- Van: cú rơ le khớ tự động đúng mở van đảm bảo thời gian trễ cần thiết trong quỏ trỡnh hàn như bật trước khi bật hồ quang và tắt sau khi tắt hồ quang (cú điều khiển)

- Cỏc đường ống dẫn khớ được lắp song song với đường ống cấp dõy hàn từ động cơ cấp dõy tới đầu hàn

2.2.4 Cơ cấu dao động đầu hàn:

Để đỏp ứng yờu cầu cụng nghệ và tạo dỏng mối hàn thỡ cần phải cú cơ cấu dao động đầu hàn Cơ cấu bao gồm: Động cơ hộp giảm tốc, cơ cấu tay biờn thanh truyền

- Động cơ hộp giảm tốc điều khiển số, tần số lắc và biờn độ lắc điều khiển được theo yờu cầu Tần số lắc từ 0 – 100 Hz; biờn độ lắc từ 0 – 20 mm

- Cơ cấu tay biờn thanh truyền tạo chuyển động lắc đầu hàn theo ba điểm: trỏi – giữa – phải của rónh hàn

2.3 Tính toán thiết kế động học và lựa chọn phần tử các cơ cấu chuyển

động chủ yếu:

2.3.1 Cơ cấu chuyển động xe hàn:

2.3.1.1 Tính toán thiết kế:

- Các thông số đầu vào:

a Khối lượng xe: bao gồm phần thân xe dự kiến 10 kg, cơ cấu cấp dây

5 kg, cơ cấu dao động đầu hàn 5 kg, lô dây hàn tiêu chuẩn 15 kg, tổng cộng:

g- gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2)

+ P1 là thành phần lực ép vuông góc lên bề mặt chuyển động do trọng lượng xe gây ra

+ P2 là lực cản do trọng lượng xe gây ra theo chuyển động:

P2 = m g sinα + Lực kéo P3 phải thắng được hai thành phần đó là lực cản và lực

ma sát:

P3 ≥ P2 + Fms = m g sinα + f m g cosα Như vậy:

+ Khi xe chuyển động nằm ngang thì : m g sinα = 0 + Khi xe chuyển động thẳng đứng thì: f m g cosα = 0, khi đó lực P3 đạt giá trị cực đại

Do đó, khi tính toán động lực học ta chỉ cần tính trong trường hợp xe di chuyển thẳng đứng (lúc đó bỏ qua lực căng xích)

Khi đó: P3 ≥ m g sin900 = m g = 35 x 9.81 = 350 (N)

b) Lựa chọn động cơ điện:

Vì tốc độ hàn cần được thay đổi trong một khoảng lớn, tỷ lệ Vmax / Vminthông thường là 10 lần, do đó chúng ta chọn động cơ điện một chiều có số vòng quay lớn, trong trường hợp này là có số vòng quay n = 3.000 vg/ph

Với đường kính bánh xe đã chọn là 90 mm = 0,09 m, tốc độ quay của trục xe sẽ nằm trong dải:

- n max : tốc độ quay trục bánh xe tối đa, vg/h;

- D : đường kính bánh xe, m

Khi đó ta có:

n min= 3 / (π x 0,09) = 10,62 vg/h = 0,177 vg/ph

n max= 30 / (π x 0,09) = 106,20 vg/h = 1,77 vg/ph Công suất của động cơ được chọn theo công thức:

c) Tính toán hộp giảm tốc:

Tỷ số truyền tổng của hộp giảm tốc xác định theo công thức 2.5

i = n đm / n max (2.5) trong đó: - n đm : tốc độ định mức của động cơ, vg/ph

- n max : tốc độ quay tối đa của trục bánh xe, vg/ph

Trong kết cấu đồ gá hàn của đề tài, với n max = 1,77 vg/ph, tốc độ động cơ 3.000 vg/ph, khi đó tỷ số truyền của hộp giảm tốc sẽ là:

i max = 3.000 / 1,77 = 1.695 Với tỷ số truyền này, hệ thống giảm tốc của xe hàn được chọn bao gồm

01 hộp giảm tốc 2 cấp trục vít-bánh vít với tỷ số truyền 30 x 30 = 900 và 1 cấp bánh răng với tỷ số truyền 1:86 Như vậy tỷ số truyền thực tế của hệ là 900 x 1,86 = 1674, tương đương với yêu cầu về dải tốc độ hàn đã đề ra (sai số 1,25%)

2.3.1.2 Lựa chọn thiết bị tiêu chuẩn, chế tạo:

- Động cơ do CHLB Đức chế tạo, công suất 250 W, vòng quay 3000

- Hộp giảm tốc hai cấp: chế tạo theo mẫu loại dùng cho máy hàn, tỷ số truyền n = 900

- Chế tạo cặp bánh răng truyền động môdun tỷ số truyền n = 1,86

2.3.2 Cơ cấu cấp dây hàn:

2.3.2.1 Tính toán thiết kế:

Đặc tính kỹ thuật của cơ cấu cấp dây quyết định đến các tính năng công nghệ của đồ gá (thiết bị) hàn, do vậy việc tính toán lựa chọn động cơ, hộp giảm tốc và hệ thống các con lăn kẹp và đưa dây có một vai trò quan trọng Hiện nay về cơ bản người ta thường dùng các cơ cấu cấp dây hàn có

điều khiển mềm tốc độ cấp dây Cơ cấu có điều khiển bậc ít được dùng rộng rãi mà chỉ trong các thiết bị và đồ gá chuyên dụng mới áp dụng

Việc điều khiển tốc độ cấp dây được thực hiện bằng điều khiển tốc độ của động cơ một chiều, động cơ bước, thường là các động cơ có số vòng quay lớn (2.500-5.500 vg/ph) cùng với hộp giảm tốc với tỷ số truyền cao

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc xác định theo công thức 2.6

i = (60 x π x D cl x n đm ) / (1.000 x Vmax ) (2.6) trong đó: - D cl : đường kính con lăn đưa dây, mm

- n đm : tốc độ quay định mức động cơ, vg/ph

- Vmax : tốc độ cấp dây tối đa, m/h

thông thường với dây hàn thép: Vmax = 600-900 m/h

Trong chế tạo đồ gá hàn phục vụ cho đề tài, chúng ta chọn D cl = 20

mm, tốc độ động cơ 3.000 vg/ph, tốc độ cấp dây 600-900 m/h, khi đó tỷ số truyền của hộp giảm tốc là:

i max = (60 x 3,14 x 20 x 3.000) / (1.000 x 600) = 1.884

i min = (60 x 3,14 x 20 x 3.000) / (1.000 x 900) = 1.256

Với tỷ số truyền này, ta chọn loại hộp giảm tốc 2 cấp trục vít-bánh vít

có tỷ số truyền i1 = 30, i2 = 40, khi đó tỷ số truyền tổng của hộp giảm tốc là:

i = i1 x i2 = 1.200 phù hợp với tính toán ở trên

N đm = P c x Vmax / 3.600 (2.7) trong đó: P c – lực cản tối đa của ống dẫn dây hàn, với dây hàn có đường kính 1,6-3,5 mm tương ứng là 200 N, với dây đường kính 0,8-1,6 mm là 100

N

ở đây ta sẽ có:

N đm = 200 x 900 / 3.600 = 50 W

Công suất thực tế của động cơ cần được chọn lớn hơn để có thể khắc phục sức ì của lô dây, lực phanh và bù các tổn thất trên hộp giảm tốc, trên các con lăn đưa dây

2.3.2.2 Lựa chọn, chế tạo thiết bị:

- Động cơ do CHLB Đức chế tạo, công suất 250 W, vòng quay 3000 vg/ph

- Hộp giảm tốc hai cấp: chế tạo theo mẫu loại dùng cho máy hàn, tỷ số truyền n = 1200

2.4 Quy trỡnh chế tạo thiết bị:

2.4.1 Cỏc chi tiết tiờu chuẩn:

Được chế tạo theo bản vẽ thiết kế ĐGH 03-01-001, gồm có các cụm chi

2.4.2.1 Cụm thân xe được chế tạo theo bản vẽ ĐGH 03-01-000, các chi tiết

được chế tạo theo thứ tự bản vẽ gồm:

TT Ký hiệu Tên gọi Số lượng Đơn vị Vật liệu

2.4.2.2 Cụm dẫn động bị động được chế tạo theo bản vẽ ĐGH 03-03-000, các

chi tiết được chế tạo theo thứ tự bản vẽ gồm:

TT Ký hiệu Tên gọi Số lượng Đơn vị Vật liệu

2.4.2.3 Cụm dẫn động chủ động được chế tạo theo bản vẽ ĐGH 03-04-000,

các chi tiết được chế tạo theo thứ tự bản vẽ gồm:

TT Ký hiệu Tên gọi Số lượng Đơn vị Vật liệu

2.4.2.4 Cụm động cơ giảm tốc được chế tạo theo bản vẽ ĐGH 03-05-000, các

chi tiết được chế tạo theo thứ tự bản vẽ gồm:

TT Ký hiệu Tên gọi Số lượng Đơn vị Vật liệu

- Đĩa đánh bóng để đánh các vết xước trong quá trình vận chuyển

- Giấy ráp, dũa làm cùn các cạnh sắc sau khi gia công

- Khí xì khô

b) Chuẩn bị dầu, mỡ để bôi trơn:

- Các ổ bi, con trượt

- Đổ dầu nhớt vào các hộp giảm tốc

- Cụm dẫn động chủ động: Theo bản vẽ dưới đây ta tiến hành lắp các

chi tiết lên trục chủ động 8 lần lượt theo thứ tự: Then 11, bánh răng 10, bánh

vít 12, then 14, li hợp 13 Tiếp theo lắp đôi vành chặn 7, đôi bạc 6, cặp bánh