TỔNG QUAN
Tổng quan về tình hình nghiên cứu
1.1.1 Tình hình sản xuất hàng loạt với thiết bị hàn tự động Việt Nam
Tại Việt Nam, quy trình sản xuất ô-tô, xe đạp và xe máy chủ yếu dựa vào phương pháp thủ công, dẫn đến việc tiêu tốn nhiều nhân lực mà không cải thiện được năng suất và chất lượng Các chi tiết sản phẩm được làm thủ công và vận chuyển đến từng vị trí cũng bằng tay, làm cho quy trình sản xuất trở nên kém hiệu quả.
Hàn là công nghệ chủ chốt trong ngành công nghiệp nặng, phát triển mạnh mẽ để phục vụ nhu cầu của các lĩnh vực như đóng tàu, ô tô, và xây dựng Các hãng ô tô lớn như Ford, GM, và Toyota đã áp dụng dây chuyền sản xuất tự động, trong đó hàn chiếm 40% Tại Việt Nam, nghiên cứu về máy hàn tự động còn hạn chế, nhưng PGS, TS Đoàn Quang Vinh và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng robot trong dây chuyền hàn ô tô, mang lại hiệu quả tại Công ty CP Ô-tô Trường Hải Hơn nữa, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh đã thành công trong việc thiết kế hệ thống hàn ống tự động với kích thước 2.500 x 650 x 1.300 mm, có khả năng di chuyển và điều chỉnh linh hoạt, đảm bảo an toàn và dễ vận hành.
Sản phẩm đã được áp dụng tại Nhà máy A41 thuộc Bộ Quốc phòng, cho thấy chất lượng mối hàn đồng đều và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật Điều này khẳng định sản phẩm có tiềm năng thương mại cao.
Các đề tài hiện nay chủ yếu chỉ tập trung vào những chuyển động hàn cơ bản như đường thẳng và tròn, mà chưa đề cập đến các quỹ đạo phức tạp hơn như elip hay lượn sóng Tại Việt Nam, hàn ống vuông góc với quỹ đạo hàn hình lượn sóng vẫn chưa được chế tạo, mà chỉ mới dừng lại ở việc tiếp thu công nghệ và nhập khẩu thiết bị hàn từ nước ngoài Hầu hết các thiết bị này sử dụng cánh tay robot linh hoạt rất hiện đại, nhưng đi kèm với đó là chi phí thương mại và bảo trì cao.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng thiết bị hàn tự động trên thế giới
Trong bối cảnh tự động hóa hiện đại, các quốc gia có nền công nghiệp ô-tô lâu đời đã tích cực áp dụng robot tự động trong quy trình hàn Công nghệ hàn, một yếu tố thiết yếu trong chế tạo và gia công cơ khí, đang được các hãng ô-tô nổi tiếng như Ford, GM, Mercedes, Toyota, Hyundai, Honda và Nissan triển khai mạnh mẽ Trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp tự động của họ, quy trình hàn đóng góp tới 40% tổng công đoạn.
Tính cấp thiết
Việt Nam đang hướng tới mục tiêu trở thành nước công nghiệp vào năm 2020, trong đó ngành Cơ khí chế tạo máy đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thiết bị hiện đại và chính xác Công đoạn hàn, tuy tốn nhiều thời gian và công sức, lại ảnh hưởng lớn đến độ bền và tính chính xác của thiết bị Hiện nay, việc hàn chủ yếu vẫn được thực hiện thủ công, trong khi số lượng công nhân tay nghề cao ngày càng khan hiếm Giải pháp nghiên cứu chế tạo thiết bị hàn tự động sẽ giúp giảm bớt sức lao động, bảo vệ sức khỏe người công nhân, giảm chi phí, rút ngắn thời gian thi công và nâng cao chất lượng mối hàn, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho ngành công nghiệp.
Kết quả dự kiến
Sản phẩm được thiết kế với kết cấu vững chắc, bao gồm bàn máy kích thước 650x650x8mm cố định trên 4 chân cao 55mm, chiều cao tối đa là 112mm Bàn máy có đồ gá với 2 ống đặt vuông góc, bao gồm các khối định vị chữ V và phần kẹp chặt Cơ cấu truyền động gồm 2 bánh răng côn, cam và con chạy thanh đẩy, hoạt động dưới dòng điện 220V với tốc độ có thể điều chỉnh bằng biến tần, cho phép thực hiện 1 mẻ hàn trong 10 giây để tránh cháy Máy dễ vận hành với chế độ điều khiển manual và auto, không yêu cầu công nhân sử dụng đồ bảo hộ đặc biệt và bảo trì cũng rất đơn giản.
Giới hạn đề tài
Vì là lần đầu tiên thiết kế và chế tạo máy, nên với kiến thức hạn chế, mọi bước thực hiện đều phải tiến hành từ từ mà không có tài liệu tham khảo từ các đề tài trước, do đó, đề tài này khá mới mẻ và giới hạn nghiên cứu chỉ tập trung vào những tiêu chí cụ thể.
- Thiết kế, chế tạo đƣợc kết cấu sơ khai của máy
- Chạy thử thành công về mặt nguyên lý
- Hình thành đƣợc mối hàn quỹ đạo lƣợn sóng để tạo kết cấu 2 ống vuông góc với nhau.
Cách thức nghiên cứu
Do đề tài còn mới mẻ và chưa có nhiều nghiên cứu trước đó, phương pháp nghiên cứu chủ yếu dựa vào sự hỗ trợ và định hướng từ hai Thầy hướng dẫn Mọi ý tưởng và sáng kiến đều được tham khảo ý kiến của các Thầy, bên cạnh việc tìm hiểu qua Internet, sách báo và công nghệ Quan trọng nhất, tất cả ý tưởng về thiết kế kết cấu và các thay đổi đều dựa trên bản vẽ 3D được triển khai với sự hỗ trợ của phần mềm thiết kế CREO, và phân tích lực, độ bền, ứng suất cho phép được thực hiện bằng phần mềm Ansys.
Mục tiêu và ứng dụng của đồ án
Trong ngành công nghệ hàn, hàn ống có nhu cầu và ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật Việc chế tạo máy hàn tự động cho hàn đường ống là cần thiết và mang lại hiệu quả kinh tế lớn, giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng mối hàn, tăng năng suất so với hàn thủ công, đồng thời giảm chi phí sản xuất và nâng cao tính an toàn lao động.
Hiện nay, các thiết bị hàn kim loại dạng ống tại Việt Nam chủ yếu phải nhập khẩu, dẫn đến chi phí cao về giá thành, vận hành và bảo dưỡng Chỉ những công ty lớn, tập đoàn hoặc có vốn đầu tư nước ngoài mới có khả năng đầu tư vào công nghệ này.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Quy trình hàn hồ quang
Hàn hồ quang điện là phương pháp hàn phổ biến hiện nay nhờ vào quy trình đơn giản và không yêu cầu kỹ thuật cao từ thợ hàn Phương pháp này có thể áp dụng cho hầu hết các loại kim loại và vật liệu hàn Để thực hiện hàn hồ quang hiệu quả, thợ hàn cần nắm vững các quy trình và kỹ thuật gây cũng như kết thúc hồ quang Dưới đây là quy trình hàn hồ quang điện thông thường.
Hình 2.1 : Các bước hàn hồ quang
Chú thích: 1 Vật hàn, 2 Kẹp mass, 3 Que hàn, 4 Vị trí gắn que vào kìm hàn, 5 Cách đặt kìm hàn, 6 Chiều dài hồ quang, 7 Xỉ hàn
Khi thực hiện hàn hồ quang điện, cần lưu ý rằng vật hàn phải được làm sạch trước khi tiến hành Kẹp mass nên được đặt ở vị trí không cản trở đường hàn, giúp quy trình hàn diễn ra thuận lợi hơn Đối với que hàn có đường kính lớn, cần điều chỉnh dòng hàn lớn phù hợp để đảm bảo chất lượng hàn.
Chiều dài hồ quang là khoảng cách giữa que hàn và vật hàn, ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn Khi điều chỉnh hồ quang ngắn và sử dụng cường độ dòng hàn phù hợp, mối hàn sẽ sắc nét và tiếng hàn sẽ êm Chiều dài hồ quang thường phụ thuộc vào đường kính que hàn, dao động từ 1,6mm đến 2,4mm.
Dùng búa hoặc bàn chải sắt để làm sạch xỉ hàn, trường hợp hàn nhiều lớp thì phải làm sạch xỉ hàn trước khi hàn lớp tiếp theo
Phương pháp tạo hồ quang ban đầu
Cách 1: Quẹt di chuyển nhanh que hàn trên bề mặt vật hàn, khi đã tạo hồ quang thì nhấc que hàn lên khỏi vật hàn
Hình 2.2: Ảnh minh họa phương pháp quẹt
Cách 2: Gõ que hàn vào vật hàn để tạo hồ quang
Đối với những người mới làm quen với hàn hồ quang tay, việc tạo ra một mối hàn đẹp và chất lượng không phải là điều dễ dàng Để đảm bảo chất lượng mối hàn, bạn cần chú ý đến 5 yếu tố cơ bản: thiết lập dòng điện phù hợp, điều chỉnh độ dài hồ quang, xác định góc nghiêng của que hàn, thực hiện thao tác hàn chính xác và điều chỉnh tốc độ hàn hợp lý.
Chuẩn bị là bước quan trọng đối với những người mới bắt đầu hoặc ít có kinh nghiệm với hàn hồ quang tay, vì việc tạo ra một mối hàn đẹp và chất lượng không phải là điều dễ dàng.
Hàn que là kỹ thuật hàn không yêu cầu cao về việc làm sạch vị trí hàn, nhưng việc này vẫn rất quan trọng Trước khi bắt đầu, cần loại bỏ bụi bẩn bằng cọ hoặc dụng cụ làm sạch chuyên dụng, đặc biệt là khu vực kẹp kìm mát để đảm bảo tiếp xúc tốt và ổn định hồ quang Ngoài ra, tư thế hàn cũng cần được chú ý để có thể nhìn rõ vũng hàn, tránh bị che khuất bởi tay hàn và hạn chế tiếp xúc với khói hàn độc hại.
Dưới đây là 5 kỹ thuật hàn hồ quang tay cơ bản mà người thợ hàn cần phải nắm đƣợc
Tùy thuộc vào loại điện cực, thiết bị hàn cần được thiết lập dòng một chiều thuận, một chiều nghịch hoặc dòng xoay chiều Trước khi hàn, hãy đảm bảo thiết bị được cài đặt chính xác Độ lớn dòng hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn và loại điện cực sử dụng, với thông tin này thường được cung cấp bởi nhà sản xuất trên bao bì Cách tính dòng hàn là 1 Amp tương ứng với 0.0254 mm đường kính que hàn Bạn có thể bắt đầu với dòng hàn thấp và điều chỉnh tăng thêm 5 đến 10 Amp để đạt được khả năng hàn tối ưu.
Hình 2.4: Hiện tượng khi hàn với dòng hàn quá thấp
Hình 2.5: Hiện tượng khi hàn với dòng hàn quá cao
Độ dài hồ quang là yếu tố quan trọng trong quá trình hàn, phụ thuộc vào loại que hàn và vị trí hàn Thông thường, độ dài hồ quang không nên vượt quá đường kính que hàn Nếu hồ quang quá ngắn, có thể dẫn đến sự không ổn định, tắt hồ quang, làm cho vũng hàn đông cứng nhanh và tạo ra vảy hàn nhiều Ngược lại, hồ quang quá dài sẽ gây bắn tóe, làm chậm tốc độ kết tủa và tạo ra hiện tượng rỗ khí.
Hình 2.6: Hồ quang quá ngắn
Hình 2.7: Hồ quang quá dài
Khi mới bắt đầu nghề hàn, nhiều người thường để hồ quang quá dài để quan sát, nhưng nên thay đổi vị trí hàn để nhìn rõ hơn mà không kéo dài hồ quang Một chút luyện tập sẽ giúp bạn có được mối hàn thấp và ít bắn tóe.
Đối với hàn bề mặt, góc que hàn nên được điều chỉnh từ 5 đến 15 độ theo hướng di chuyển Trong khi đó, đối với hàn hồ quang, góc que hàn nên để từ 0 đến 15 độ ngược chiều với hướng di chuyển của que hàn.
Hình 2.8: Chỉnh góc que hàn
Chuyển động dọc theo trục mối hàn giúp duy trì và điều chỉnh độ dài của hồ quang, trong khi chuyển động ngang giữ độ rộng của đường hàn Có nhiều loại chuyển động như ngang, liên tục và ngắt quãng, tùy thuộc vào độ dày của vật hàn Đối với vật hàn mỏng, không cần chuyển động ngang của que hàn vì độ rộng hồ quang đã đủ để làm đầy rãnh hàn Khi hàn đứng, cần chú ý hàn từ dưới lên với các tấm dày và từ trên xuống với các tấm mỏng, đặc biệt là ở rìa rãnh hàn.
Hình 2.9: Chuyển động que hàn
- Điều chỉnh tốc độ hàn
Tốc độ hàn cần được điều chỉnh để đảm bảo rằng hồ quang hàn chiếm 1/3 độ dài của vũng hàn Nếu hàn quá chậm, sẽ dẫn đến việc tạo ra vảy hàn lồi và hàn không ngấu, do hồ quang mất nhiệt không đủ để làm nóng chảy vật hàn.
Hình 2.10: Mẫu hàn khi tốc độ hàn quá chậm
Tốc độ hàn quá nhanh làm giảm độ ngấu của mối hàn, vảy hàn không đều và không lấp đầy vũng hàn
Để đảm bảo chất lượng hàn và tránh rủi ro, công nhân hàn cần nắm vững các quy tắc hàn cơ bản và luyện tập thường xuyên Việc này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn nâng cao năng suất trong quá trình làm việc.
Các ứng dụng mới thuộc lĩnh vực phương pháp hàn
Từ chỗ chủ yếu sử dụng công nghệ hàn hồ quang tay, đến nay nhiều phương pháp hàn mới đã đƣợc sử dụng, bao gồm
MIG/MAG welding is essential in the manufacturing of steel structures, automobiles, motorcycles, and shipbuilding It incorporates advanced welding technologies, including pulsed MIG, dual-pulse MIG, surface tensile transfer (STT), and waveform control (SP-MAG), enhancing efficiency and precision in various applications.
Hàn TIG là phương pháp hàn tiên tiến được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực như hàn inox, nhôm, thiết bị dầu khí, thiết bị thực phẩm và đường ống cao áp Công nghệ hàn TIG hiện nay đã bao gồm các kỹ thuật hàn xung DC, AC/DC và sóng vuông đồng bộ, mang lại hiệu quả cao và chất lượng hàn vượt trội.
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc là công nghệ quan trọng trong việc chế tạo kết cấu thép, đường ống thủy điện và bồn bể Công nghệ này đã được áp dụng hiệu quả với các phương pháp hàn trên đệm đồng, đệm thuốc, hàn thép độ bền cao và hàn trong khe hẹp.
- Hàn điện xỉ, hàn nổ: còn ít ứng dụng Đấp dụng hàn đắp điên xỉ bằng băng hàn (strip cladding) để sản xuất các loại bồn Duplex, bồn 2 lớp
- Hàn điện khí (electro-gas welding): ứng dụng hàn leo cho vỏ tàu và bồn bể
- Hàn plasma và hàn laser: còn ít ứng dụng Có sử dụng hàn plasma cho hàn bồn inox và ống inox
- Hàn cấy bulong (stud welding): đã áp dụng cả phuonwg pháp hàn cấy bằng tụ (capacitor stud welding) và phương pháp hàn cấy bằng hồ quang (drawn arc welding)
Hàn nối là quá trình chế tạo dụng cụ và phụ tùng xe máy, bao gồm xích và dây chuyền kéo dây Phương pháp hàn nối được áp dụng bao gồm hàn nối điện trở, hàn nối có đốt chảy và hàn nối có nung sơ bộ, giúp đảm bảo chất lượng và độ bền cho sản phẩm.
- Hàn điểm: chế tạo xe máy, ô tô, sản phẩm dân dụng Đã ứng dụng các phương pháp hàn điểm AC, DC, không xung, có xung
- Hàn lăn: bồn nước inox, chậu rửa, vành xe, sản phẩm dân dụng
- Hàn siêu âm: hàn nhựa trong thiết bị dân dụng, hàn dây dẫn, tiếp điểm
- Hàn nguội: chế tạo bimetal, nồi 3 lớp
- Hàn vảy: hàn các chi tiết ống điều hòa, dàn tản nhiệt, hàn dụng cụ
- Hàn cao tần: các dây chuyền sản xuất ống thép hàn
- Hàn cắt dưới nước: đã ứng dụng trong việc xây dựng cầu, cứu hộ, sửa chữa giàn khoan
2.2.2 Các ứng dụng mới thuộc lĩnh vực cơ khí hóa và tự động hóa ngành hàn
Ngành hàn đã có nhiều ứng dụng về cơ khí hóa và tự động hóa:Hàn bán tự động trong khí CO2
- Hàn tự động dưới lớp thuốc: đóng tàu, sản xuất dầm I, H, bồn bể, đường ống
- Hàn TIG tự động: hàn ống orbital, dây chuyền hàn ống inox
- Hàn robot: hàn khung và chi tiết xe máy, hàn cabin ô tô, hàn bàn ghế
- Các dây chuyền tự động về hàn: sản xuất kết cấu thép, đóng tàu, bình gas, xích neo, dầm I, dầm hộp
Hàn MIG – MAG là một phương pháp hàn trong nhóm GMAW, sử dụng nhiệt từ hồ quang giữa dây điện cực rắn Phương pháp này cấp dây liên tục với tốc độ không đổi, và vũng chảy được bảo vệ bởi dòng khí trơ.
(MIG) hoặc dòng khí hoạt hóa (MAG) Phương pháp này cũng được gọi là hàn bán tự động, tuy nhiên tên gọi đó không chính xác
Trong công nghiệp hàn MAG với khí bảo vệ CO2 thường gọi là hàn dây hoặc hàn CO2
Súng hàn là trang bị quan trọng nhất, đảm nhận chức năng cung cấp dòng điện hàn cho dây hàn qua ống tiếp xúc, khí bảo vệ qua mỏ phun, và hệ thống giải nhiệt khi cần thiết.
Bộ cấp dây hàn (wire feeder) là thiết bị quan trọng với tốc độ ổn định, có thể sử dụng loại hai con lăn hoặc bốn con lăn tùy thuộc vào loại dây hàn Thiết bị này có thể được lắp sẵn vào nguồn điện hàn hoặc sử dụng rời Chức năng chính của bộ cấp dây là duy trì quá trình cháy tự động của hồ quang sau khi đã được mồi.
Máy hàn GMAW thường hoạt động với đặc tính áp không đổi (CV - constant Voltage) Để giảm hiện tượng văng tóe và duy trì sự ổn định của hồ quang khi hàn CO2, các cuộn kháng thường được lắp thêm nhằm kiểm soát tốc độ và dòng ngắn mạch.
Hàn MIG – MAG và hàn GMAW là các phương pháp hàn sử dụng dòng điện một chiều (CV), nổi bật với các phương thức chuyển dịch kim loại trong hồ quang hàn.
Hình 2.12: Các phương thức chuyển dịch kim loại GMAW
Chuyển dịch trong hàn MIG bao gồm các kiểu như chuyển dịch cầu, phun, xoáy, xung, ngắn mạch và hồ quang ngắn, với ba kiểu cơ bản là ngắn mạch, cầu và phun Gần đây, các phương pháp tiên tiến như chuyển dịch sức căng bề mặt và chuyển dịch xoáy đã được ứng dụng trong thiết bị GMAW tự động Sự lựa chọn kiểu chuyển dịch phụ thuộc vào đặc trưng của dây đắp và môi trường khí bảo vệ, trong đó hình ảnh mô tả sự nóng chảy và các kiểu chuyển dịch của dây nhôm và thép khi hàn MIG với chỉ số oxy hóa nhỏ hơn 2%.
Hình 2.13: Đặc trưng chuyển dịch kim loại khi hàn MIG
2.2.3.3 Kiểu chuyển dịch kim loại khi hàn MIG - MAG
Chuyển dịch phun diễn ra hiệu quả khi nồng độ argon vượt quá 80%, tạo điều kiện cho các giọt kim loại nóng chảy nhỏ di chuyển nhanh chóng vào vũng chảy Sự kết hợp giữa lực co thắt, áp suất hồ quang mạnh và sức căng bề mặt yếu giúp quá trình này ít văng tóe, tạo ra mối hàn sạch, độ ngấu sâu và bề mặt nhẵn đẹp.
Để đạt được chuyển dịch phun trong hàn, môi trường cần có nồng độ argon trên 80%, và dòng hàn phải vượt qua ngưỡng giới hạn tùy thuộc vào đường kính và loại kim loại dây đắp Phương pháp này mang lại năng suất đắp cao, nhưng chỉ phù hợp cho hàn ở vị trí phẳng và góc ngang.
Hình 2.14: Dòng tới hạn để có chuyển dịch phun (dây 1.6 – Ar + 1% O2)
Hình 2.15: Chuyển dịch phun và chuyển dịch c u
Khi môi trường khí có tính oxy hóa (CO2) hoặc tính khử cao (helium), chuyển dịch cầu trở nên ưu thế, dẫn đến hiện tượng văng tóe nghiêm trọng khi các giọt kim loại nóng chảy tách ra từ dây hàn Để hạn chế văng tóe, cần hiệu chỉnh các thông số hàn sao cho hồ quang gần như cháy ngầm trong vũng chảy bằng cách sử dụng khí trộn argon và CO2 với tỉ lệ thích hợp Ngoài ra, helium cũng có tác động tương tự như CO2 trong quá trình hàn MIG.
Kiểu chuyển dịch cầu có năng lượng hàn cao và độ ổn định hồ quang thấp, tạo ra mối hàn rộng và ngấu sâu Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp phải vấn đề với lượng văng tóe cao và khả năng xuất hiện bọt khí trong mối hàn Để cải thiện tình trạng này, việc tăng tỉ lệ argon trong khí trộn là giải pháp cần thiết.
Chuyển dịch cầu chỉ phù hợp với tƣ thế hàn phẳng và hàn góc ngang
Hình 2.16: Biến thiên dòng điện và điện áp hàn khi chuyển mạch
Hàn MAG được ưa chuộng nhờ khả năng hiệu chỉnh để thực hiện kiểu chuyển dịch ngắn mạch Đặc điểm nổi bật của kiểu chuyển dịch này là năng lượng hàn thấp và ít văng tóe, rất phù hợp cho các tư thế hàn nghịch.
Hình 2.17 : Các giai đ ạn chuyển dịch xung
Tổng quan về hàn tự động
2.3.1 Khi nào dùng robot hàn?
Quá trình hàn có thể được tự động hóa khi bao gồm nhiều thao tác lặp lại trên các chi tiết giống nhau Quyết định tự động hóa phụ thuộc vào số lượng chi tiết cần hàn trong quá trình chế tạo Nếu cần điều chỉnh để các chi tiết khớp với nhau hoặc nếu các mối hàn có độ rộng và vị trí khác nhau, việc tự động hóa sẽ không khả thi.
2.3.2 Tại sao hàn bằng robot?
Hàn tự động mang lại lợi ích vượt trội với độ chính xác và năng suất cao Sử dụng robot trong quá trình hàn không chỉ nâng cao độ tin cậy của mối hàn mà còn đảm bảo rằng các mối hàn sẽ đồng nhất về chất lượng khi được lập trình đúng cách, đặc biệt trên các vật hàn có kích thước và quy cách giống nhau.
Tự động hóa chuyển động của mỏ hàn giúp giảm thiểu lỗi thao tác, từ đó giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại Robot không chỉ hoạt động nhanh hơn mà còn có khả năng làm việc liên tục 24/7, mang lại hiệu quả vượt trội so với hàn bằng tay.
Quá trình hàn tự động hóa giúp bảo vệ công nhân khỏi các tác hại do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy và khí độc, nâng cao an toàn lao động trong ngành hàn.
2.3.3 Hệ thống hàn hồ quang tự động
Hình 2.19: Hệ thống hàn hồ quang tự động
Thiết bị hàn hồ quang tự động được thiết kế khác biệt so với hàn tay, với chu kỳ làm việc cao và khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt Mỗi thành phần của hệ thống cần có tính năng và khả năng điều khiển để kết nối hiệu quả với hệ điều khiển trung tâm.
- Bộ làm sạch súng hàn: đầu súng hàn gần hồ quang và dần dần dính vẩy hàn, cần phải làm sạch
- Bộ cấp điện cực: để bù lại dây điện cực tiêu hao khi hàn
- Đồ gá hàn và tay hàn giữ và định vị các chi tiết để đảm bảo mối hàn sẽ đƣợc robot thực hiện chính xác
Bộ định tâm là thiết bị quan trọng giúp đảm bảo que hàn và khung hàn luôn ở vị trí chính xác với nhau, thông qua việc liên tục hiệu chỉnh trọng tâm của hệ thống Quá trình này được thực hiện một cách tự động, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong hàn.
Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay khớp hoặc xoay, với cánh tay robot được ưa chuộng nhờ khả năng mô phỏng chuyển động của con người Chúng cho phép thay đổi góc súng hàn và di chuyển để hàn ở mọi vị trí, đặc biệt là những khu vực khó tiếp cận Cánh tay robot nhẹ và có tầm với lớn, thường có từ 5-6 trục tự do và có thể lập trình Nhiều nhà cung cấp nổi tiếng như ABB, FANUC, PANASONIC, KUKA và MOTOMA cung cấp các sản phẩm robot hàn này.
Nguồn hàn phải cung cấp dòng điện điều khiển đƣợc với điện áp thích hợp cho quá trình hàn
Máy hàn hồ quang tự động yêu cầu nguồn điện phức tạp hơn so với máy hàn bán tự động Để đạt hiệu suất tối ưu, máy hàn tự động cần kết nối với nguồn điện nhằm điều khiển quá trình hàn hiệu quả.
Súng hàn là thiết bị quan trọng trong quá trình hàn, giúp tiếp điện cực đến mối hàn và truyền dòng điện hàn vào điện cực, đồng thời tạo ra môi trường bảo vệ cho mối hàn Có nhiều loại súng hàn khác nhau, phụ thuộc vào quy trình hàn, dòng hàn, kích thước điện cực và vật liệu bảo vệ.
Súng hàn có thể được làm nguội bằng nước luân chuyển hoặc không khí, với các kiểu dáng thẳng hoặc cong Súng hàn cong giúp tiếp cận mối hàn một cách dễ dàng hơn.
Hình 2.22: Súng hàn hồ quang
Súng hàn có chức năng chính là truyền dòng điện đến điện cực, đặc biệt trong quá trình hàn điện cực nóng chảy Dòng hàn được dẫn truyền tới điện cực khi súng hàn di chuyển.
Súng hàn có chức năng quan trọng trong việc cung cấp khí bảo vệ cho vùng hàn Trong hàn hồ quang, khí hoạt tính như carbon dioxide hoặc hỗn hợp khí trơ, chủ yếu là argon kết hợp với CO2, được sử dụng để đảm bảo chất lượng hàn.
Súng hàn được gắn vào thân robot Thường trang bị một ly hợp chống va đập, ngăn điện cực bị dính hoặc va chạm khi lắp đặt, khởi động
Bộ cấp dây là thiết bị quan trọng trong quá trình hàn tự động, giúp bổ sung kim loại điền đầy linh hoạt với nhiều tốc độ cấp dây khác nhau để đáp ứng yêu cầu cụ thể của từng dây chuyền Thông thường, bộ cấp dây được lắp đặt trên cánh tay robot và hoạt động độc lập với nguồn hàn Để đảm bảo hiệu quả, cần có giao diện điều khiển giữa bộ điều khiển robot, nguồn hàn và bộ cấp dây, đồng thời hệ thống cấp dây phải tương thích với quy trình hàn và loại nguồn điện sử dụng.
2.3.8 Định vị và gá cố định vật hàn Để nối các vật hàn, mỗi vật hàn phải đƣợc căn chỉnh chính xác và gá chắc chắn tại chỗ trong quá trình hàn Một điều quan trọng là cách thiết kế một khung gá các vật hàn tại vị trí thích hợp Bộ phận này phải thao tác nhanh và dễ dàng, giữ chắc các vật hàn cho tới khi chúng dính vào nhau và phải cho phép súng hàn tự do tiếp cận mối hàn
Bộ định vị có thể được thiết kế giống như trong hàn bằng tay hoặc chuyên biệt để nâng cao tính linh hoạt và tầm hoạt động của hệ thống hàn tự động Độ chính xác của bộ định vị cần phải cao hơn, và các điều khiển định vị robot phải tương thích với bộ điều khiển robot trung tâm để đảm bảo chuyển động phối hợp tức thì của nhiều trục trong quá trình hàn.
Lý thuyết chế tạo đồ gá
2.4.1 Tổng quan về đồ gá gia công cơ Đồ gá là một trong những trang bị công nghệ để thực hiện các bước, các nguyên công gia công công nghệ trên máy trong sản xuất và chế tạo cơ khí
2.4.1.1 Định nghĩa Đồ gá gia công cơ là một trang bị công nghệ nhằm xác định vị trí chính xác của chi tiết gia công so với dụng cụ cắt , đồng thời giữ vững vị trí đó trong suốt quá trình gia công
2.4.1.2 Công dụng của đồ gá gia công
Đảm bảo độ chính xác vị trí của các bề mặt gia công là rất quan trọng Sử dụng đồ gá để gá đặt chi tiết giúp xác định chính xác vị trí tương đối giữa bề mặt gia công, máy và dao cắt Nhờ đó, độ chính xác vị trí có thể đạt được một cách ổn định, tin cậy và nhanh chóng.
Nâng cao năng suất lao động và giảm thiểu thời gian phụ là mục tiêu quan trọng trong sản xuất Việc gá đặt đồng thời nhiều chi tiết giúp tối ưu hóa thời gian cơ bản và thời gian phụ Sử dụng đồ gá tự động hóa cơ khí không chỉ rút ngắn thời gian phụ mà còn mang lại sự gia tăng đáng kể về năng suất lao động.
- Không yêu cầu tay nghề công nhân cao, giảm sức lao động
2.4.1.3 Phân loại đồ gá gia công trên máy cắt kim loại
Có rất nhiều phương pháp phân loại đồ gá gia công trên máy cắt kim loại, cụ thể:
2.4.1.3.1 Căn cứ vào phạm vi sử dụng:
Đồ gá vạn năng là thiết bị đã được tiêu chuẩn hóa, cho phép gia công nhiều loại chi tiết khác nhau mà không cần điều chỉnh đặc biệt, thường được sử dụng trong sản xuất loạt nhỏ và đơn chiếc Trong khi đó, đồ gá chuyên dùng là loại thiết bị được chế tạo riêng cho một nguyên công nhất định và không thể áp dụng cho các nguyên công khác, thường được sử dụng trong sản xuất loạt lớn và hàng khối.
- Đồ gá vạn năng lắp ghép:
Theo yêu cầu gia công của một nguyên công, chúng ta cần chọn một bộ các chi tiết tiêu chuẩn hoặc bộ phận đã được chuẩn bị sẵn để lắp ráp thành đồ gá Loại đồ gá này có thể tháo rời sau khi sử dụng, cho phép tái sử dụng trong các lần gia công tiếp theo hoặc cho các nguyên công khác.
Loại đồ gá này giúp rút ngắn thời gian thiết kế và chế tạo, giảm thời gian chuẩn bị sản xuất và tiết kiệm vật liệu gia công.
Nhược điểm của loại đồ gá này bao gồm chi phí chế tạo cao và độ cứng vững kém hơn so với các loại đồ gá thông dụng Tuy nhiên, nó được ứng dụng hiệu quả trong sản xuất loạt nhỏ, với khả năng lặp lại chủng loại sản phẩm lớn.
- Đồ gá điều chỉnh và gia công nhóm:
Hai loại đồ gá này đều có khả năng gia công các chi tiết có hình dáng, kích thước và đặc tính công nghệ tương tự sau khi điều chỉnh một số chi tiết trong kết cấu Đồ gá vạn năng điều chỉnh có phạm vi sử dụng rộng và không rõ ràng, như mâm cặp hoa mai trên máy tiện hay đồ gá khoan trụ trượt thanh răng Trong khi đó, đồ gá gia công nhóm được thiết kế cho một nhóm chi tiết cụ thể, với đối tượng và phạm vi sử dụng rõ ràng hơn.
Việc sử dụng đồ gá loại này mang lại hiệu quả tương tự trong sản xuất cả loạt nhỏ và loạt lớn, đồng thời là một giải pháp hiệu quả để cải cách thiết kế trang bị công nghệ.
2.4.1.3.2 Căn cứ vào nguồn sinh lực kẹp
- Đồ gá kẹp bằng tay
- Đồ gá kẹp bằng khí nén
- Đồ gá kẹp bằng thủy lực
- Đồ gá kẹp bằng điện từ
- Đồ gá kẹp bằng chân không
2.4.1.3.3 Căn cứ vào số chi tiết đƣợc gia công
- Đồ gá gia công chi tiết đơn lẻ
- Đồ gá gia công nhiều chi tiết
2.4.1.4 Yêu cầu đối với đồ gá gia công cơ
Phù hợp với điều kiện, yêu cầu sử dụng, dạng sản xuất, trình độ kỹ thuật của công nhân…
Bảo đảm độ chính xác theo yêu cầu
Sử dụng và thao tác thuận tiện
2.4.1.5 Các thành phần của đồ gá gia công cơ
2.4.1.5.1 Cơ cấu, chi tiết định vị
Cơ cấu định vị là thiết bị quan trọng giúp xác định vị trí tương đối của chi tiết so với máy hoặc dụng cụ cắt Các thành phần của cơ cấu này bao gồm chốt tỳ, chốt trụ ngắn, chốt trụ dài, chốt trám, khối V và trục gá, đóng vai trò quyết định trong quá trình gia công chính xác.
Cơ cấu kẹp chặt có tác dụng giữ cho chi tiết không bị xê dịch khi gia công Cơ cấu kẹp chặt đƣợc chia ra nhiều loại:
- Cơ cấu kẹp đơn giản (do một chi tiết thực hiện)
- Cơ cấu kẹp tổ hợp (do hai hay nhiều chi tiết thực hiện, ví dụ nhƣ: ren ốc – đòn bẩy, đòn bẩy – bánh lệch tâm, v.v…)
- Cơ cấu kẹp ren vít
- Cơ cấu kẹp cơ khí (hơi ép, kẹp bằng chân không, kẹp bằng điện tử và ghép các loại này với nhau)
- Cơ cấu kẹp tự động
Phân theo phương pháp kẹp
- Kẹp một chi tiết hoặc nhiều chi tiết
- Kẹp một lần hoặc nhiều lần tách rời
Cơ cấu phân độ là thiết bị quan trọng trên máy khoan và máy phay, giúp quay mâm quay để gá vật gia công Thiết bị này cho phép thực hiện khoan các lỗ hoặc phay các bề mặt với góc chính xác, tương ứng với góc quay đã định.
Thân gá và đế gá, hay còn gọi là các chi tiết cơ sở, thường được thiết kế dưới dạng hình vuông hoặc hình tròn, có răng hoặc lỗ ren để gắn chặt các chi tiết khác Những chi tiết cơ sở này đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các bộ phận khác nhau, tạo thành một đồ gá hoàn chỉnh.
2.4.1.5.5 Các chi tiết nối ghép
Các bu lông và đai ốc là những linh kiện quan trọng được sử dụng để lắp ghép các bộ phận của đồ gá Những chi tiết này thường được sản xuất theo các tiêu chuẩn nhất định để đảm bảo chất lượng và tính chính xác trong quá trình lắp ráp.
2.4.1.5.6 Cơ cấu định vị kẹp chặt đồ gá trên bàn máy
- Cơ cấu này thường là các then dẫn hướng (ở đồ gá phay, khoan) và rãnh chữ U trên thân đế đồ gá để kẹp chặt đồ gá trên bàn máy.
Lý thuyết chế tạo cam
Cơ cấu cam là một hệ thống khớp cao cấp được sử dụng để truyền động, cho phép tạo ra chuyển động qua lại theo quy luật nhất định, trong đó có thể có những lúc dừng lại.
Cam là cơ cấu dẫn, trong khi cần là cơ cấu bị dẫn Khi cam và cần nằm trên cùng một mặt phẳng hoặc trên các mặt phẳng song song, ta gọi đó là cơ cấu cam phẳng Ngược lại, nếu cam và cần không nằm trên một mặt phẳng hoặc ở hai mặt phẳng không song song, chúng ta có cơ cấu cam không gian.
Trong cơ cấu cam, cam và cần được kết nối với giá thông qua khớp thấp (khớp trượt hoặc khớp quay) và được nối với nhau bằng khớp cao Thông thường, cam sẽ được nối với giá bằng khớp quay Khi cần được nối với giá bằng khớp trượt, ta có cơ cấu cam cần đẩy, dẫn đến chuyển động tịnh tiến qua lại Ngược lại, khi cần nối với giá bằng khớp quay, ta có cơ cấu cam cần lắc, với chuyển động lắc qua lắc lại.
Thành phần khớp cao trên cam nối cam với cần là 1 đường cong kín gọi là biên dạng cam
Các thông số cơ bản của cam bao gồm đường kính lớn nhất và nhỏ nhất, các góc công nghệ, độ lệch tâm và các góc định kỳ Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và chức năng của cam trong các ứng dụng cơ khí.
Cơ cấu cam bao gồm cam và cần dùng để tạo chuyển động lặp lại xác định
- Cam có bề mặt làm việc đƣợc chế tạo theo quy luật chuyển động
- Cần đƣợc cam đẩy chuyển động theo quy luật
2.5.2 Thông số hình học của Cam
Bán kính vectơ lớn nhất Rmax và bán kính vectơ nhỏ nhất Rmin
Các góc công nghệ: là góc đƣợc xác định trên biên dạng cam ứng với các cung làm việc khác nhau của biên dạng này Có 4 góc công nghệ:
+ Góc công nghệ đi xa đ : ứng với giai đoạn cần đi xa tâm cam
+ Góc công nghệ đứng xa x : ứng với giai đoạn cần đứng yên ở vị trí xa tâm cam nhất
+ Góc công nghệ về gần v : ứng với giai đoạn cần về gần tâm cam
+ Góc công nghệ đứng gần g : ứng với giai đoạn cần đứng yên ở vị trí gần tâm cam nhất
Hình 2.27: Thông số hình học của Cam
2.5.3 Thiết kế cơ cấu cam
Thiết kế cơ cấu cam là xác định hình dáng, kích thước của cơ cấu cam đảm bảo:
- Làm việc nhẹ nhàng (không tự hãm)
- Thực hiện đúng qui luật chuyển động cho trước
- Kết cấu nhỏ gọn trong điều kiện có thể
- Qui luật gia tốc của cần
- Góc áp lực cho phép
- Chiều dài cần l (cần lắc)
Các bước thiết kế cơ cấu cam:
- Phối hợp chuyển động của máy
- Lập đồ thị biểu diễn các qui luật chuyển động của cần
- Lập đồ thị chuyển vị:
+ Phương pháp đổi chuyển động
- Phân tích động học (tương tự cam cần đầu nhọn)
Lập đồ thị chuyển vị
Hình 2.28: Cam c n tịnh tiến đ u nhọn
Hình 2.29: Cam c n tịnh tiến đ u bằng
- Phương pháp đổi chuyển động (đổi giá)
Hình 2.30: Phương pháp đổi giá ca đ u nhọn
- Phương pháp đồ thị phân tích động học cơ cấu cam cần tịnh tiến
Hình 2.31: Phương pháp đồ thị phân tích
- Tìm miền tâm cam, xác định vị trí tâm cam và các kích thước
+ Khoảng cách tâm cam tâm cần (cần lắc)
+ Vị trí thấp nhất của cần + khỏang lệch tâm cam và cần (cần đẩy)
- Tìm bán kính cam nhỏ nhất để biên dạng cam không lõm (đáy bằng)
- Xác định biên dạng cam
Nếu là cam cần đáy con lăn
+ Vẽ biên dạng cam lý thuyết
+ Xác định bán kính con lăn
+ Xác định biên dạng cam thực tế
Chú ý: Thực hiện tương tự cam cần đầu nhọn
Từ biên dạng lý thuyết vẽ các vòng tròn bằng đường kính con lăn → Biên dạng thực
Hình 2.32: Vẽ biên dạng thực của cam
Lý thuyết tính toán sức bền
Thanh là một vật thể được hình thành khi một hình phẳng F, có tiết diện là hình tròn hoặc chữ nhật, di chuyển trong không gian Trong quá trình này, trọng tâm C của hình phẳng luôn nằm trên một đoạn đường cong , và hình phẳng F luôn vuông góc với đường cong này.
- Tải trọng là tập hợp tất cả các tác dụng bên ngoài, tác dụng vào vật khảo sát
- Tải trọng gồm lực tập trung, lực phân bố, moment tập trung và phân bố
Hình 2.34: Sơ đồ tải trọng
2.6.3 Ngoại lực, nội lực và ứng suất
- Định nghĩa: Ngoại lực là những lực tác động từ môi trường bên ngoài hay từ vật khác lên vật đang xét
- Phân loại: Ngoại lực gồm tải trọng đã biết trước và phản lực phát sinh tại các liên kết
Nội lực là lực xuất hiện trong một vật thể khi nó bị biến dạng do tác động của ngoại lực Khi lực bên ngoài tác động, các phần tử trong vật sẽ phát sinh lực tương hỗ nhằm chống lại tác động của lực đó.
Phương pháp mặt cắt là một kỹ thuật quan trọng trong khảo sát nội lực của vật thể, khi mà nội lực vẫn cân bằng với ngoại lực Bằng cách áp dụng phương pháp này, chúng ta có thể phân tích và đánh giá nội lực mà không làm hư hại đến vật thể.
Vật chịu lực ở trạng thái cân bằng
Để tìm nội lực tại C ta tưởng tượng dùng mặt phẳng qua C cắt vật ra làm hai phần A,B
Xét phần A cân bằng dưới tác dụng của các ngoại lực P P 1 , 2 và lực tác dụng tương hỗ từ các phần B tức là các nội lực
Nội lực phân bố liên tục trên diện tích F của mặt cắt
Hình 2.35: Sự phân bố của nội lực
Cường độ nội lực tại một điểm trên mặt cắt được gọi là ứng suất Trong quá trình tính toán, ứng suất toàn phần P thường được phân chia thành hai thành phần khác nhau.
Thành phần vuông góc với mặt cắt gọi là ứng suất pháp
Thành phần nằm trong mặt cắt gọi là ứng suất tiếp
- Các thành phần nội lực trên mặt cắt ngang
Hệ nội lực ở mặt cắt ngang tương đương với một lực dọc Nz
Hệ nội lực ở mặt cắt ngang tương đương với một lực ngang Qy
Hệ nội lực ở mặt cắt ngang tương đương với một ngẫu lực có mômen Mz nằm trong mặt cắt
Uốn thuần tuý: Hệ nội lực ở mặt cắt ngang tương đương với một ngẫu lực có mômen Mx (hoặc My)
Uốn ngang: Qy, Mx (Qx, My)
2.6.4 Các giả thiết cơ bản về vật liệu
2.6.4.1 Tính đàn hồi của vật thể
Vật rắn được xem là đàn hồi tuyệt đối khi có khả năng phục hồi hoàn toàn hình dạng và kích thước ban đầu sau khi chịu tác động của ngoại lực Biến dạng xảy ra trong quá trình này được gọi là biến dạng đàn hồi, và nó sẽ được khôi phục hoàn toàn khi lực tác dụng ngừng lại.
Vật đàn hồi tuyến tính là loại vật có khả năng biến dạng đàn hồi và tỉ lệ biến dạng này tỉ lệ thuận với nội lực tác động lên nó Ngược lại, những vật đàn hồi không tuân theo quy luật này được gọi là vật đàn hồi phi tuyến.
Biến dạng bé được hiểu là sự thay đổi nhỏ đến mức có thể so sánh với các đại lượng rất nhỏ Chuyển vị cũng được coi là rất nhỏ so với kích thước tổng thể của vật thể.
Các giả thuyết cơ bản
Dưới tác động của ngoại lực, mọi vật rắn đều bị biến dạng, tức là thay đổi về hình dạng và kích thước Điều này xảy ra do ngoại lực làm thay đổi vị trí tương đối giữa các phân tử cấu tạo nên vật rắn.
- Để đảm bảo an toàn trong thực tế thường sử dụng một giá trị ứng suất nhỏ hơn ứng suất nguy hiểm gọi là ứng suất cho phép, 0 n
0 ứng suất nguy hiểm n > 1: hệ số an toàn
- Vật liệu dòn: Ứng suất cho phép khi chịu nén: n n b n
: Giới hạn bền khi nén n k b
Ứng suất cho phép khi chịu kéo: n k b k
: Giới hạn bền khi kéo
2.6.4.3 Định luật Húc về cắt
Trong phạm vi biến dạng đàn hồi hoàn toàn của vật liệu chịu cắt, ứng suất cắt
c tỷ lệ thuận với độ trượt tương đối c G
: Độ trượt tương đối G: mô đun đàn hồi trượt của vật liệu , đơn vị MN/m 2
Bảng 2.1: Mô đun đàn hồi của vật liệu 2.6.5 Tính toán về cắt
: Ứng suất tiếp cho phép
Chọn tiết diện mặt cắt
- Tìm tải trọng cho phép
- Định nghĩa: Dập là hiện tƣợng nén cục bộ xảy ra trên một diện tích truyền lực tương đối nhỏ của hai vật thể ép vào nhau
Trên mặt bị dập sẽ phát sinh những ứng suất pháp gọi là ứng suất dập d
Thân đinh tán chịu dập do thành lỗ ép vào nó
Trên mặt vật thể bị dập phát sinh những ứng suất pháp gọi là ứng suất dập d d
F d : Diện tích mặt bị dập
P: là lực sinh ra dập
d : Là ứng suất dập cho phép
Chọn kích thước mặt cắt
Tìm tải trọng cho phép
- Ứng dụng tính toán về cắt và dập
Tính toán các mối ghép bằng bulong, đinh tán
Mối ghép không có tấm đệm , tính bền theo cắt,
P n F P n d n- Số đinh tán trên một tấm cơ bản d- đường kính đinh tán
Mối ghép có hai tấm đệm, tính bền theo cắt
d n P t d t: chiều dày của tấm truyền sức ép vào thân đinh tán
Một thanh chịu xoắn thuần túy khi trên mặt cắt ngang của thanh chỉ có một thành phần nội lực là môn men xoắn Mz
Ngoại lực làm thanh chịu xoắn là các ngẫu lực tập trung hoặc ngẫu lực phân bố tác dụng trong những mặt phẳng vuông góc với trục thanh
Khi vẽ sơ đồ lực cho không gian, có hai phương pháp thực hiện tùy thuộc vào hướng nhìn, có thể là từ trái sang phải hoặc từ phải sang trái.
Khi quan sát từ bên ngoài vào mặt cắt, nếu mô men xoắn ngoại lực quay theo chiều kim đồng hồ, thì mô men xoắn nội lực sẽ có dấu dương (+) Ngược lại, nếu mô men xoắn ngoại lực quay ngược chiều kim đồng hồ, mô men xoắn nội lực sẽ mang dấu âm (-).
Nếu Mz > 0 biểu đồ được vẽ phía trên đường chuẩn
Nếu Mz < 0 biểu đồ được vẽ phía dưới đường chuẩn
- Biểu đồ mô men xoắn
Biểu đồ mô men xoắn thể hiện sự thay đổi của mômen xoắn nội lực trên các mặt cắt khác nhau dọc theo trục thanh
Vẽ từ trái sang phải Đường biểu diễn xuất phát từ trục hoành và cuối cùng trở về trục hoành
- Quan hệ giữa mô men xoắn ngoại lực với công suất và số vòng quay của trục truyền
Mô men xoắn ngoại lực
M n M: Mô men xoắn ngoại lực Nm
Trong kỹ thuật chúng ta tính M nhƣ sau
Khi công suất N tính bằng KW:
Khi công suất N tính bằng HP ( mã ngựa )
n: Vòng / phút Ứng suất tiếp trên mặt cắt ngang của thanh tròn chịu xoắn thuần túy
Quan sát mẫu thí nghiệm xoắn
Xét thanh mặt cắt tròn ta kẻ những đường sinh tượng trưng cho những thớ dọc Kẻ những đường chu vi tượng trưng cho những mặt cắt
Sau khi thanh chịu xoắn quan sát ta thấy
Các đường sinh lệch đi một góc các ô hình chữ nhật trở thành ô hình bình hành
Các mặt cắt xoay đi một góc nào đó nhƣng hình dạng và bán kính không thay đổi
Khoảng cách giữa các mặt cắt bằng hằng số
Biểu thức liên hệ giữa ứng suất tiếp với thành phần mô men xoắn nội lực max
Mz: Là mô men xoắn nội lực lớn nhất trên thanh
: Khoảng cách từ điểm tính ứng suất đến trọng tâm mặt cắt ngang (m) j x : Mô men quán tính độc cực mặt cắt ngang (m 4 )
W x : Mô đun chống xoắn của mặt cắt ngang (m 3 )
Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench 14.0 để mô phỏng sự biến dạng của ống trong quá trình hàn hồ quang
Phương trình cân bằng động lực học
Trạng thái nhiệt động lực học của một điểm vật chất tùy ý ở vị trí x tại thời điểm t của một hệ thống (vật thể) đƣợc mô tả:
U đại diện cho sự di chuyển của các điểm vật liệu , với tại thời điểm t0
Năng lƣợng bên trong đƣợc định nghĩa là sự khác biệt giữa tổng số năng lƣợng và năng lƣợng của sự chuyển động (dịch chuyển), cụ thể là ( )
( ) ̇ Diễn biến thời gian và không gian trong năm lĩnh vực trên đƣợc xác định bởi phương trình cân bằng, động lực và năng lượng
( ) (3) Ghi chú: mối quan hệ giữa v vận tốc và thời gian chính là đạo hàm của u
Các đại lượng q r đại diện cho tổng lực tác dụng bên ngoài, chuyển vị ứng suất căng Cauchy, dòng nhiệt và năng lượng do nhiệt ẩn trong giai đoạn chuyển tiếp Phương trình (1-3) mô tả chuyển động của các đại lượng chưa biết trong miền, u và e, là phổ biến và độc lập với vật liệu Để giải các phương trình này, cần thay thế các đại lượng cấu thành như dòng nhiệt và ứng suất căng bằng cấu trúc phương trình tương ứng Hiện tại, nhiệt độ T chưa xuất hiện trong các phương trình (1-3), do đó cần giới thiệu một phương trình trạng thái cân bằng nhiệt để thay thế năng lượng bên trong e bằng nhiệt độ T Nếu tất cả các phương trình cấu thành và phương trình cân bằng cho một hệ kín được biết, thì có thể giải hệ phương trình phi vi phân từng phần (PDE) bằng phương pháp số.
Quá trình nhiệt động lực học được xác định bởi các giải pháp của hệ thống phương trình vi phân riêng phần (PDE), bao gồm các thông số ρ, u và T tại mọi vị trí x và thời gian t Mối liên hệ giữa khối lượng, động lượng và năng lượng, cũng như giữa cấu trúc vật liệu, kết cấu cơ khí và hành vi nhiệt, tạo nên các ký hiệu cho một quá trình đa vật lý trong hàn.
Hình 2.36: Tương tác giữa các yếu tố vật lý trong quá trình hàn
Cấu trúc phương trình cho quá trình mô phỏng
Phương trình cấu thành điển hình, được cung cấp bởi các gói chương trình FE thương mại, định luật Fourier cho trường hợp dẫn nhiệt của
Phương trình trạng thái nhiệt:
(5) Định luật Hoock cho chất rắn đẳng hướng
( ) (6) Đường tuyến tính nhiệt như sau (Cho kích thước một chiều)
Vật liệu có tính dẫn nhiệt và năng lượng nhiệt phụ thuộc vào các hằng số LAME và hệ số giãn nở nhiệt Phương trình cấu thành của vật liệu được biểu diễn dưới dạng ̃ ̂ Đối với vật liệu có tính dẻo, ứng suất Vonmiss tương ứng với phương trình (6).
Gọi Φ là năng suất chức năng, nó có thể quyết định, cho dù ứng suất hiện tại có ảnh hưởng đến năng suất hay không
Trong đó σ v đặc trƣng cho giới hạn chảy
Giới hạn chảy σ y tăng khi biếng dạng dẻo tăng, đƣợc gọi là độ cứng của vật liệu,
Độ cứng của vật liệu được xác định bởi một hệ số k, cho phép tính toán độ cứng đẳng hướng Phương trình (8) cung cấp một điều kiện nhất quán quan trọng trong việc xác định biến dạng dẻo Độ biến dạng có thể được tính toán theo định luật Hook, kết hợp với ma trận độ cứng bậc 4 được biểu thị trong phương trình (10).
Còn lại một đại lƣợng vẫn chƣa biết bằng việc rời rạc ta có ̇ ̇ ̇
Trình tự các bước tính toán như sau:
Sử dụng định luật Hooke tính ứng suất ở bước n
Xác định giới hạn chảy σ y bằng những đại lƣợng đã biết, đặc tính vật liệu, ứng suất biến dạng, từ đó σ y sẽ bằng với
Khi ứng suất tương đương được tính theo mức thứ 2, tức là bên ngoài bề mặt, sẽ dẫn đến sự xuất hiện của biến dạng Trong quá trình chảy dẻo, ứng suất tương ứng sẽ giảm, và biến dạng nhiệt theo phương trình (8) sẽ được kiểm soát cuối cùng.
Do đó, σ tr cần được chiếu lên các đường chảy cong bằng cách điều chỉnh các yếu tố dΛ trong điều kiện ổn định của phương trình (9) và sau đó chèn vào phương trình (11).
Cập nhật biến dạng dẻo và đàn hồi
(13) Tính toán ứng suất hiện tại bằng cách
Tiếp tục tính toán từ bước thứ (2) – (6) cho bước nội suy thứ (n+1), (n+2), …
Phương trình truyền nhiệt có dạng
(15) Dạng yếu của phương trình có dạng
Đại diện cho thông lượng nhiệt truyền qua bề mặt thể tích thường được thay thế bằng hệ số truyền nhiệt (α) và nhiệt độ môi trường Sau khi phân tích các đại lượng này, ta có thể rút ra những kết luận quan trọng.
(17) các thành phần sau của ma trận và vectơ (i, j = 1, , n):
∫ ∫ (19) Trong đó tƣợng trƣng cho vector bao gồm cả các yếu tố nhiệt độ không rõ
Sử dụng mô hình nguồn nhiệt Goldak's double ellipsoid đây là mô hình chính dùng để mô phỏng hàn GMA-welding af a r d b
Hình 2.37: Mô hình nguồn nhiệt
Q = nhiệt cấp vào (KJ/mm),
S = tốc độ hàn (mm/min)
Efficiency: hiệu suất phụ thuộc vào loại phương pháp hàn, theo nghiên cứu của
M Seyyedian Choobi1 [7], “Investigation of the Effect of Clamping on Residual Stresses and Distortions in Butt-Welded Plates, M Seyyedian Choobi1, M
Haghpanahi and M Sedighi, (2010)” hiệu suất 60% sẽ đáp ứng đƣợc sự phù hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng
: Hệ số nhiệt phía trước
: Hệ số nhiệt phía sau
: Giá trị này xác định chiều dài nguồn nhiệt phía trước
Giá trị này xác định chiều dài của nguồn nhiệt phía sau, trong khi tổng chiều rộng của nguồn nhiệt được tính bằng (af + ar) Chiều rộng một bên của nguồn nhiệt là b, do đó tổng chiều rộng là 2b Độ sâu của nguồn nhiệt được ký hiệu là d.