(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY”

GVHD: PGS. TS ĐẶNG THIỆN NGƠN
SVTH: NGUYỄN ĐỒN XN TRƯỜNG
MSSV: 11144107

SKL 0 0 3 9 6 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015

do an


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


BỘ MƠN CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ
THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY”

Giảng viên hƣớng dẫn:

PGS. TS ĐẶNG THIỆN NGÔN

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN ĐỒN XN TRƢỜNG

MSSV:
Lớp:
Khố:

11144107
111442A
2011 - 2015

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015

do an


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn ……………………………..

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hƣớng dẫn: …………….………..………
Sinh viên thực hiện: ………………………………………………

1. Tên đề tài:
…………….………..……….……………………………………………………………
…………….………..……….…………………………………………………
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
3. Nội dung chính của đồ án:
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
4. Các sản phẩm dự kiến
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
5. Ngày giao đồ án:
6. Ngày nộp đồ án:
TRƢỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

 Đƣợc phép bảo vệ …………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

i

do an


LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài:“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị hàn ma sát xoay”
- GVHD: PGS. TS ĐẶNG THIỆN NGƠN
- Họ tên sinh viên: NGUYỄN ĐỒN XN TRƢỜNG
- MSSV: 11144107

Lớp: 111442A

- Địa chỉ sinh viên: 195/3 Ấp Thạnh An, Xã Thạnh Phong, huyện Thạnh Phú, Tỉnh Bến
Tre
- Số điện thoại liên lạc:

0169.604.3620

- Email:
- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 20/07/2015
- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình do
chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã
được công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tơi
xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015

Ký tên

i

do an


LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học cơng nghệ ngày nay, kéo theo đó là sự ra đời của
các robots, dây chuyền, máy móc tự động, hiện đại, chính xác,… nhƣ các loại máy CNC,
robots cơng nghiệp, công nghệ vũ trụ,…
Việc áp dụng khoa học kỹ thuật, cơ khí hiện đại vào sản xuất, vào đời sống hàng ngày
đã giúp con ngƣời nâng cao năng suất sản xuất, tiết kiệm thời gian cũng nhƣ chi phí. Đồng
thời nó cũng giúp biến mọi chuyện trở nên đơn giản hơn…
Tuy nhiên để đảm bảo cho các thiết bị này hoạt động đƣợc, con ngƣời phải trải qua
một quá trình dài bao gồm nghiên cứu, tính tốn, thiết kế và chế tạo thử nghiệm.
Ngay trong khi còn ngồi trên ghế nhà trƣờng, để đảm bảo việc áp dụng lý thuyết vào
thực tiễn thì bộ mơn Cơng nghệ tự động cũng nhƣ các bộ mơn khác đều có mơn “Khóa luận
tốt nghiệp”, nhằm giúp sinh viên thực hiện đề tài của mình, khẳng định và áp dụng những lý
thuyết đã học vào đề tài đó.
Là sinh viên ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ khí – Khoa Cơ khí Chế tạo máy, em rất
vinh dự khi đƣợc làm đề tài tốt nghiệp với tên đề tài “nghiên cứu, thiết kế thiết bị hàn ma
sát xoay”. Em xin chân thành cám ơn thầy Đặng Thiện Ngôn cũng nhƣ các thầy cô khác đã
hỗ trợ, giúp đỡ cũng nhƣ kiểm tra trong việc thực hiện đề tài của em.
SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Đoàn Xuân Trƣờng

ii

do an


LỜI CẢM ƠN
Trải qua hơn 10 tuần thực hiện đề tài tơi đã hồn thành một cách thành cơng, tốt
đẹp nhất đề tài của mình. Để góp phần vào sự thành cơng đó, ngồi sự nỗ lực, quyết tâm
thực hiện của bản thân thì cịn có sự giúp đỡ trực tiếp hay gián tiếp của bạn bè, thầy cô,
ngƣời thân và gia đình.
Trƣớc tiên, tơixin cảm ơn sự giúp đỡ về mọi mặt nhƣ dụng cụ, trang thiết bị, tài
chính,… và cả động viên tinh thần của các anh chị, bạn bè – những ngƣời bạn đích thực
của tơi.
Tiếp theo tôi cũng xin cám ơn sự hỗ trợ giúp đỡ về một số lý thuyết, kiến thức
chuyên ngành cơ khí – kỹ thuật của các thầy cô thuộc khoa Cơ khí Chế tạo máy. Đồng
thời, tơi cũng xin cám ơn các thầy cô, cán bộ viên chức nhà trƣờng đã giúp đỡ, động viên,
tạo điều kiện cho tôi thực hiện đề tài.
Bên cạnh đó khơng thể khơng kể đến sự giúp đỡ của giáo viên phản biện – PGS.
Lê Chí Cƣơng đã giúp tơi chỉnh sửa và hồn thiện đề tài của mình.
Góp phần lớn vào sự thành cơng của đề tài là sự giúp đỡ về mọi mặt của giáo viên
hƣớng dẫn – PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn và Reme Lab
Cuối cùng, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới ngƣời thân và gia đình, những ngƣời đã
ln sát cánh bên tôi trong mọi quãng đƣờng.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Nguyễn Đoàn Xuân Trƣờng

iii

do an


TÓM TẮT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ
THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY
Công nghệ Hàn ma sát xoay đã xuất hiện và tồn tại rất lâu tại Mỹ (1891), Liên Xô (1956)
và Châu Âu (1920), nhiều thiết bị đƣợc ứng dụng rộng rãi dành để phục vụ cho các ngành
công nghiệp Quân sự.
Ngày nay, công nghệ Hàn ma sát xoay đƣợc đầu tƣ và nghiên cứu chuyên sâu và đƣợc
phát triển rất mạnh mẽ trên nhiều khía cạnh, trong đó việc ƣu tiên vận hành trong các hệ
thống sản xuất cơ khí, các hệ thống chế tạo vũ khí…
Nhận thấy Hàn ma sát xoay là một hƣớng đi đầy tìm năng trong lĩnh vực chế tạo sản
phẩm cơ khí, và trong tƣơng lai không xa, công nghệ Hàn ma sát xoay sẽ đƣợc ứng dụng
rộng rãi vì vậy tơi đã quyết định làm đề tài “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị Hàn ma sát
Xoay”
Trong q trình thực hiện tơi đã tìm hiểu đƣợc các nguyên lý của Công nghệ Hàn ma sát,
Các thông số công nghệ và các hệ thống liên quan nhƣ động cơ xoay chiều 3 pha, Hệ
thống thủy lực, các loại cơ cấu đẩy, Đề xuất một số kết cấu và lựa chọn phƣơng án tối ƣu
nhất để thực hiện gia cơng, Thiết kế hồn chỉnh các bộ phận máy hàn ma sát, Chế tạo thử
nghiệm các bộ phận của máy hàn ma sát, tuy nhiên trong quá trình làm việc, tơi vẫn cịn
một số hạn chế về tính tốn, thiết kế chƣa tối ƣu, Kinh nghiệm cịn thiếu và thời gian
cũng nhƣ tài chính cịn hạn hẹp
Trong tƣơng lai, tơi sẽ cố gắng hồn chỉnh thiết kế và chế tạo một các tối ƣu nhất, đảm
bảo sự hài hòa giữa yếu tố kỹ thuật và Kinh tế cùng với đó là khảo sát nhu cầu thị trƣờng
để có hƣớng đi đúng đắn trong việc chuyển giao cơng nghệ phục vụ sản xuất đại trà

iv

do an


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................................................i

LỜI CAM KẾT ...................................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ...........................................................................................................iv
MỤC LỤC...........................................................................................................................v
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. viii
MỤC LỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................................x
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU ...............................................................................................1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài..............................................................................................1
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài : ................................................................1
1.3Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài :..............................................................2
1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:............................................................2
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu ..........................................................................................2
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài .............................................................................3
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài...........................................................................3
1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận : ....................................................................................3
1.5.2Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể : ...................................................................4
1.6Kết cấu của đồ án tốt nghiệp .......................................................................................4
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN: ............................................................................................5
2.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngồi
nƣớc đã cơng bố................................................................................................................5
2.1.1. Tổng quan chung về hàn ma sát xoay: ................................................................5
2.1.2. Các kết quả nghiên cứu đã công bố trên thế giới: ...............................................6
2.1.3. Tình hình nghiên cứu hàn ma sát xoay ở Việt Nam. ..........................................8
CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................10
3.1 Lịch sử hàn ma sát. ...................................................................................................10
3.2 Các thông số công nghệ hàn ma sát xoay. ................................................................ 11
3.2.1. Lực ma sát và tốc độ quay.................................................................................13
3.2.2. Thời gian ma sát. ...............................................................................................13
3.2.3. Lực chồn: ..........................................................................................................14

v

do an


3.2.4. Sự tƣơng quan giữa mô men và nhiệt năng: .....................................................15
3.3 Nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay. ....................................................................16
3.4 Quy trình hàn ma sát xoay. .......................................................................................17
3.5 Hệ thống Xy lanh – Thủy lực ......................................................................................18
3.5.1 Trong lĩnh vực điều khiển ..................................................................................18
3.5.2 Trong hệ thống truyền động ...............................................................................18
3.5.3 Ƣu điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực .............................................18
3.5.4 Nhƣợc điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực .......................................20
3.5.5 Cấu trúc của hệ thống thủy lực ..........................................................................20
3.5.6 Đơn vị đo các đại lƣợng cơ bản .........................................................................21
CHƢƠNG 4: PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT ........................23
4.1Yêu cầu đề tài ............................................................................................................23
4.2 Phƣơng án thiết kế. ...................................................................................................23
4.2.1 Phƣơng án 1: Hàn ma sát trên máy tiện. ............................................................23
4.2.2 Phƣơng án 2: Máy hàn ma sát thông thƣờng .....................................................23
4.2.3 Phƣơng án 3: Máy hàn ma sát quán tính. ...........................................................23
4.2.4 Phƣơng án 4: Máy hàn ma sát điều khiển tự động hoàn toàn. ...........................24
4.3 Lựa chọn phƣơng án: ................................................................................................ 24
4.3.1 Phƣơng án 1: Hàn ma sát trên máy tiện. ............................................................24
4.3.2 Phƣơng án 2: Hàn ma sát thƣờng. ......................................................................24
4.3.3 Phƣơng án 3: Hàn ma sát quán tính. ..................................................................25
4.3.4 Phƣơng án 4: Hàn ma sát điều khiển tự động hoàn toàn. ..................................25
4.4 Các bộ phận máy hàn ma sát xoay. ..........................................................................26
4.5 Chế tạo máy hàn. ......................................................................................................26
CHƢƠNG 5: CÁC PHƢƠNG ÁN CHẾ TẠO MƠ HÌNH...........................................27

5.1 Phƣơng án thiết kế khung chính ...............................................................................27
5.1.1 Phƣơng án 1 .......................................................................................................27
5.1.2 Phƣơng án 2 .......................................................................................................28
5.2 Phƣơng án thiết kế hệ thống đỡ trục chính và mâm cặp quay..................................29
5.2.1 Phƣơng án 1 .......................................................................................................29
5.2.2 Phƣơng án 2 .......................................................................................................29
5.3 Phƣơng án thiết kế hệ thống cố kẹp chặt chi tiết đứng yên ......................................30
vi

do an


5.3.1 Phƣơng án 1 .......................................................................................................30
5.3.2 Phƣơng án 2 .......................................................................................................30
5.4 Phƣơng án thiết kế hệ thống trƣợt mang chi tiết ......................................................31
5.4.1 Phƣơng án 1 .......................................................................................................31
5.4.2 Phƣơng án 2 .......................................................................................................32
5.5 Phƣơng án thiết kế hệ thống đẩy bằng xy – lanh thủy lực .......................................33
5.5.1 Phƣơng án 1 .......................................................................................................33
5.5.2 Phƣơng án 2 .......................................................................................................34
5.5.3 Phƣơng án 3 .......................................................................................................35
5.6 Phƣơng án điều khiển tốc độ động cơ ......................................................................36
5.6.1 Phƣơng án 1 .......................................................................................................36
5.6.2 Phƣơng án 2 .......................................................................................................36
CHƢƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ CẤU ........................................................38
6.1 Kết cấu tổng thể ........................................................................................................38
6.2 Tính tốn cơ khí ........................................................................................................38
6.2.1 Tính cơng suất máy ............................................................................................38
6.2.2 Tốc độ quay của trục chính ................................................................................39
6.2.3 Tính tốn bộ truyền đai ......................................................................................39

6.2.4 Tính tốn xy lanh thủy lực .................................................................................39
6.2.5 Mômen xoắn: .....................................................................................................41
6.2.6 Khoảng cách hai mũi tâm: .................................................................................41
CHƢƠNG 7: Q TRÌNH CHẾ TẠO GIA CƠNG CHI TIẾT .................................42
7.1 Chế tạo khung đỡ ......................................................................................................42
7.2 Lắp ráp bộ phận gá trục chính và mâm cặp quay .....................................................43
7.3 Chế tạo bộ phận gắn mâm cặp cố định .....................................................................43
7.4. Chế tạo hệ thống trƣợt ............................................................................................44
7.5 Chế tạo bộ phận gá lắp xy lanh thủy lực ..................................................................44
CHƢƠNG 9: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................47
1. Kết luận: .....................................................................................................................47
2. Kiến nghị: ...................................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................48
vii

do an


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Vét nứt trên mối hàn hồ quang. .............................................................1
Hình 2. Mối hàn bị lẫn xỉ ...................................................................................1
Hình 3. Mối hàn khơng ngấu ..............................................................................1
Hình 4:Hàn thanh với thanh ..............................................................................2
Hình 5:Hàn ống với ống.....................................................................................3
Hình 6: Hàn thanh với thanh .............................................................................3
Hình 7. Sơ đồ hàn ma sát xoay. ..........................................................................5
Hình8. Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát. ...........................................5
Hình 9. Hàn ma sát xoay trên máy tiện sử dụng đội thủy lực (Internet) ...........7
Hình 10. Thiết bị hàn ma sát xoay của cơng ty Shenja. .....................................7
Hình 11. Thiết bị hàn ma sát xoay của cơng ty Shenja. .....................................8

Hình 12. Hàn ma sát xoay trên máy tiện ............................................................8
Hình 13. Sơ đồ các thơng số q trình hàn. .....................................................12
Hình 14. Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát xoay. .....................................................16
Hình 15. Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát xoay ......................................................17
Hình 16. Quy trình hàn ma sát xoay. ...............................................................18
Hình 17: Sơ đồ điều khiển thủy lực ..................................................................21
Hình 18. Hàn ma sát xoay trên máy tiện. .........................................................24
Hình 19. Hàn ma sát xoay thường ...................................................................24
Hình 20. Hàn ma sát xoay qn tính ................................................................ 25
Hình 21. Máy hàn ma sát xoay CNC ................................................................ 25
Hình 22: Khung máy tiện .................................................................................27
Hình 23: Khung đỡ máy hàn ...........................................................................28
Hình 24: Mâm cặp 3 chấu tự định tâm ...........................................................30
Hình 25:Ê tơ tự định tâm..................................................................................31
Hình 26:Bàn trượt trên băng trượt máy tiện ....................................................32
Hình 27:Thanh trượt dẫn (SLIDE GUIDE) .....................................................32
Hình 28:Xy lanh nối tiếp ..................................................................................33
Hình 29:Sử dụng 2 xy lanh và cơ cấu địn bẩy ...............................................34
Hình 30 : Hệ thống sử dụng 1 xy lanh điều khiển bằng solenoil ....................35
Hình 31: Biến tần .............................................................................................37
Hình 32: Động cơ 3 pha cơng suất 7.5 KW .....................................................38
Hình 33. Mạch điều khiển thủy lực ..................................................................41
viii

do an


Hình 34. Mạch điện điều khiển thủy lực ..........................................................41
Hình 35. Mơ hình máy hàn 2D. ........................................................................41
Hình 36: Gia cơng khung đỡ ..........................................................................42

Hình 37 : Lắp tấm thép lên khung chính ..........................................................42
Hình 38: Bộ phận lắp mâm cặp ......................................................................43
Hình 39: Các chi tiết trong hệ thống trượt ......................................................44
Hình 40:Các tấm đế dùng gá đặt xy lanh trước và sau ...................................44
Hình 41:Xy lanh thủy lực .................................................................................45
Hình 42: Hệ thống xy lanh thủy lực được gá lắp .............................................45

ix

do an


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Bảng so sánh các thông số hàn của các vật liệu .............................................................13
Bảng 2: Bảng so sánh sơ bộ các phƣơng án để chọn và lên thiết kế ........................................26
Bảng 3: Bảng so sánh các phƣơng án chế tạo khung chính ........................................................29
Bảng 4: Bảng so sánh hai phƣơng án thiết kế hệ thống chế tạo và kẹp chặc chi tiết...........31
Bảng 5: Bảng so sánh 2 phƣơng án hệ thống trƣợt mang chi tiết .............................................33
Bảng 6: Bảng so sánh các phƣơng án hệ thống đẩy bằng Xy lanh – thủy lực .......................36
Bảng 7: Bảng so sánh hệ thống thay đổi tốc độ trục chính .........................................................37

x

do an


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU

CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài.

Công nghệ hàn là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo, hầu hết
các máy móc thiết bị, cơng trình đều có liên quan đến hàn kết nối các vật liệu với nhau,
trong lĩnh vực sửa chữa hàn đƣợc thực hiện nhiều hơn. Tuy nhiên hàn hồ quang, hay hàn
nóng chảy đều ảnh hƣởng đến cơ tính của vật liệu, phần vật liệu bị đốt nóng gây ra một
số khuyết tật ảnh hƣởng đến tính chất mối hàn nhƣ: Các vết nứt nóng, nứt nguội, nứt tế
vi, ngồi ra cịn các khuyết tật nhƣ rỗ khí, lẫn xỉ, hàn khơng ngấu, lẹm chân, chảy loang,
sai lệch về hình dáng bên ngồi của chi tiết, q nhiệt…Các khuyết tật này ảnh hƣởng rất
lớn đến chi tiết trong quá trình sử dụng, đặc biệt là những chi tiết chịu tải trọng, ứng suất,
chịu kéo nén…Bên cạnh đó hàn bằng phƣơng pháp đốt chảy vật liệu tốn nhiều điện năng,
tốn chi phí cho chất trung gian, chất thải, khói hàn gây bệnh tật và ơ nhiểm mơi trƣờng.
Do đó việc chế tạo máy hàn ma sát nhằm tránh những khuyết tật trên các sản phẩm do
hàn nóng chảy, giảm chi phí phụ, tăng năng suất và chất lƣợng mối hàn tốt hơn.

Hình 1. Vết nứt trên mối hàn hồ quang.

Hình 2. Mối hàn bị lẫn xỉ

Hình 3. Mối hàn không ngấu

1.2Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài :
Nhƣ đã từng đề cập, trong thời đại hiện nay, việc luôn luôn phát minh, cải tiến, ứng dụng
các phƣơng pháp sản xuất mới vào trong thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao chất lƣợng
sản phẩm, giảm bớt thời gian và chi phí tạo ra là một phần trong chiến lƣợc phát triển của
các doanh nghiệp, công ty. Công tác nghiên cứu tạo ra các thiết bị, máy móc hiện đại,
ln đƣợc ƣu tiên hàng đầu, việc nghiên cứu, tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị hàn ma sát
xoay khơng nằm ngồi quy luật đó, mục tiêu của đề tài là rất rõ ràng trong việc giảm bớt
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 1

do an


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU

sức lao động, đáp ứng các nhu cầu cần thiết Đề tài đƣợc thực hiện đầy đủ các bƣớc theo
một quy trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo một sản phẩm mới và có ƣu thế về các mặt sau:
-

Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại

-

Thời gian hàn cực nhanh, năng suất cao

-

Không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại,...)

-

Khả năng chế tạo lại và điều khiển các thông số q trình hàn tốt

-

Khơng cần bổ sung kim loại phụ

-

Dễ dàng tích hợp q trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động

-

Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt)

-

Hàn đƣợc các kim loại khác nhau với nhau

-

Cơ tính mối hàn rất tốt

-

Hàn đƣợc các loại tiết diện khác nhau

-

Môi trƣờng sản xuất sạch

-

Không yêu cầu cao về tay nghề của cơng nhân

-

Khuyết tật mối hàn hầu nhƣ khơng có

-

Khơng cần yêu cầu tiết diện của 2 chi tiết phải giống nhau

-

Là phƣơng pháp hàn rất triển vọng trong tƣơng lai.

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài :
- Tìm hiểu nguyên lý, cơ cấu hoạt động của các thiết bị Hàn ma sát xoay.
- Nghiên cứu các thơng số thiết lập q trình hàn ma sát xoay.
- Thiết kế mơ hình thiết bị bằng phần mềm CREO 3.0
- Thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí.
- Nghiên cứu cách thiết lập bảng điều khiển hệ thống thủy lực.
- Gia công, lắp ráp các chi tiết của thiết bị hàn ma sát xoay.
1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu
a. Hình dạng kết cấu

Hình 4:Hàn thanh với thanh
SVTH: Nguyễn Đồn Xuân Trường

Trang 2

do an


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU

Hình 5:Hàn ống với ống

Hình 6: Hàn thanh với thanh
b. Vật liệu hàn.
Chọn vật liệu làm mẫu hàn ma sát xoay dự trên những thí nghiệm đã đƣợc đăng trên
các tạp chí khoa học quốc tế về các vật liệu khác nhau có thể hàn thơng qua hàn ma sát
nhƣ:
a. Thép với thép
b. Nhôm với nhôm
c. Đồng với đồng
d. Thép với nhôm.
e. Thép với đồng.
f. Nhôm với đồng.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Do đây là lĩnh vực tƣơng đối mới mẻ đối với ngƣời nghiên cứu, có sự giới hạn về tài
chính, nên đề tài chỉ dừng lại việc chỉ hàn các chi tiết có đƣờng kính nhỏ hơn 20mm đối
với chi tiết đặc và 60mm đối với chi tiết rỗng; Không điều khiển tự động tồn bộ q
trình hàn. Do thời gian hạn hẹp nên chƣa thử nghiệm thực tế để có đƣợc đánh giá tốt nhất
về đề tài.
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài
1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận :
-

Dựa vào tình hình thực tế việc ứng dụng các phƣơng pháp hàn truyền thống hiện

nay nhƣ Hàn hồ quan, Hàn khí, Hàn áp lực…
-

Dựa vào nhu cầu các dây chuyền công nghệ có thể ứng dùng Hàn ma sát vào.

-

Dựa vào khả năng cơng nghệ có thể chế tạo đƣợc thiết bị hàn ma sát xoay.

SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 3

do an


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.5.2

Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể :

Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, ngƣời thực hiện sử dụng một số phƣơng pháp
chủ yếu sau:
-

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Với phƣơng pháp này, ngƣời thực hiện tập trung

đi vào các vấn đề tìm kiếm, tham khảo các bài báo khoa học đăng trên các tạp chí thế giới
và trang web liên quan về các phƣơng pháp hàn ma sát và đánh giá tính chất mối hàn ma
sát, nghiên cứu các đoạn phim tƣ liệu về công nghệ Hàn ma sát xoay, nghiên cứu tài liệu
về cách lập hệ thống điều khiển thủy lực.
-

Phương pháp phân tích: Sau khi đã tham khảo các tài liệu và có đƣợc các số liệu

cần thiết thìviệc phân tích các số liệu, các tài liệu có liên quan là việc hết sức cần thiết.

-

Phương pháp mơ hình hóa: Là mục tiêu chính của đề tài, Việc chế tạo mơ hình

giúp kiểm nghiệm đƣợc lý thuyết và sữa chữa những chỗ sai mà phƣơng pháp lý thuyết
không thể thấy đƣợc, Việc mô hình hóa cũng góp phần giúp em có thể ơn lại kiến thức đã
học của mình một cách sâu hơn.
1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
- Chƣơng 1: Giới thiệu.
- Chƣơng 2: Tổng quan.
- Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết.
- Chƣơng 4: Phƣơng hƣớng và các giải pháp đề xuất
- Chƣơng 5: Các phƣơng án chế tạo mơ hình
- Chƣơng 6: Tính tốn thiết kế cơ cấu
- Chƣơng 7: Q trình gia cơng thiết kế
- Chƣơng 8: Kiến nghị đề xuất và hƣớng phát triển

SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 4

do an


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN:
2.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngồi
nước đã cơng bố.
2.1.1. Tổng quan chung về hàn ma sát xoay:

a. Định nghĩa về hàn ma sát xoay:
Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa
hai chi tiết chuyển động tƣơng đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo,
sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán
sang nhau tạo thành mối hàn

Hình 7. Sơ đồ hàn ma sát xoay.
Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tƣơng đối với nhau dƣới tác dụng của lực ép thì
năng lƣợng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng. Ma sát trong hàn là ma sát khô.
Nhiệt ma sát là nhiệt lƣợng sinh ra trong quá trình ma sát, do sự trƣợt tƣơng đối của
hai chi tiết với nhau. Nhiệt ma sát phụ thuộc vào lực ép pháp tuyến của bề mặt ma sát và
phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa hai chi tiết, phụ thuộc vào vật liệu hàn và tốc độ chuyển
động tƣơng đối giữa hai chi tiết. Trong quá trình ma sát, phần lớn nhiệt ma sát làm nhiệm
vụ nung kim loại mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, một phần truyền vào chi tiết hàn, phần
còn lại truyền vào môi trƣờng xung quanh.

Cơ năng chuyển
thành nhiệt
năng

Vật liệu vùng
hàn dẻo.

Vật liệu tại vùng
hàn khuyết tán
vào nhau dƣới lực
ép.

Hình8. Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát.
b. Ƣu nhƣợc điểm của hàn ma sát xoay:

*Ƣu điểm:
- Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại
- Thời gian hàn cực nhanh, năng suất cao
- Không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại,...)
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 5

do an


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

- Khả năng chế tạo lại và điều khiển các thơng số q trình hàn tốt
- Khơng cần bổ sung kim loại phụ
- Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động
- Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt)
- Hàn đƣợc các kim loại khác nhau với nhau
- Cơ tính mối hàn rất tốt
- Hàn đƣợc các loại tiết diện khác nhau
- Môi trƣờng sản xuất sạch
- Không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân
- Khuyết tật mối hàn hầu nhƣ khơng có
- Khơng cần u cầu tiết diện của 2 chi tiết phải giống nhau
- Là phƣơng pháp hàn rất triển vọng trong tƣơng lai.
* Nhƣợc điểm:
- Một chi tiết hàn phải quay tròn hoặc tịnh tiến.
- Mối hàn lồi ba via tốn công cắt bỏ (gia công cơ).
- Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm
- Thiết bị đắt tiền

- Kích thƣớc của chi tiết hàn bị hạn chế
- Không hàn đƣợc kết cấu quá phức tạp
2.1.2. Các kết quả nghiên cứu đã công bố trên thế giới:
Theo tài liệu Hiệp Hội Hàn của Mỹ thì hàn ma sát xoay đƣợc cấp bằng sáng chế năm
1891. Trong những năm 1920 đến 1942 hàng loạt bằng sáng chế công nghệ hàn ma sát
xoay đƣợc cấp tại Châu Âu, và tại Liên Xô là năm 1956. Trong thập niên 60 của thế kỷ
XX, hàn ma sát xoay phát triển mạnh mẽ tại Mỹ. Đặt biệt trong thời kỳ chiến tranh lạnh,
hàn ma sát nói chung và hàn ma sát xoay nói riêng đƣợc nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi
trong kỹ thuật quân sự. Hầu hết thiết bị đƣợc sản xuất trong giai đoạn này do các công ty
AMF, Caterpillar, và Rockwell International nghiên cứu chế tạo.
Ngày nay, hàn ma sát xoay đƣợc phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng
cao của ngành công nghiệp chế tạo. Tại các trƣờng đại học, rất nhiều nghiên cứu về hàn
ma sát xoay đã đƣợc thực hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau. Có vài nghiên cứu chuyên
sâu về ma sát xoay đã đƣợc thực hiện trên thế giới:

SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 6

do an


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

Hình 9. Hàn ma sát xoay trên máy tiện sử dụng đội thủy lực (Internet)
Ngoài các vật liệu truyền thống (kim loại), ngày nay hàn ma sát xoay còn đƣợc ứng
dụng trong các loại vật liệu phi truyền thống (đối với hàn ma sát) nhƣ nhựa, polymer, hợp
chất giữa kim loại và phi kim…Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới đều do các công
ty hoặc hợp tác giữa công ty với các trƣờng đại học nên hầu hết các nghiên cứu đều
không đƣợc công bố rộng rãi, đồng thời phạm vi ứng dụng lớn nên hàn ma sát xoay vẫn

còn là đề tài mới mẽ đối với Việt Nam.

Hình 10. Thiết bị hàn ma sát xoay của cơng ty Shenja.
SVTH: Nguyễn Đồn Xn Trường

Trang 7

do an


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

Hình 11. Thiết bị hàn ma sát xoay của cơng ty Shenja.

Hình 12. Hàn ma sát xoay trên máy tiện
2.1.3. Tình hình nghiên cứu hàn ma sát xoay ở Việt Nam.
Ở nƣớc ta, hàn ma sát nói chung và hàn ma sát xoay nói riêng vẫn cịn là lĩnh vực mới
mẽ. Chỉ có một số cơng trình nghiên cứu của đại học Nha Trang kết hợp với Nhật đã
đƣợc thực hiện:
- Những kết quả bƣớc đầu về ứng xử mỏi của kết cấu hàn ma sát giữa hai siêu hợp
kim M247-INC718.
- Tập trung biến dạng và ứng suất trong mối hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim M247
và INC718;
- Sự phát triển vết nứt trong mối hàn ma sát hai siêu hợp kim M240 và INC718 trong
điều kiện mỏi lão.

SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 8

do an


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

ThS. KSHQT. Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, “hàn ma sát”, />573/2922167/preview.swf.
Tuy nhiên đây cũng chỉ là những bài báo nghiên cứu về ứng xử của vật liệu trong quá
trình sử dụng cho các vật liệu đặt biệt mà chƣa thật sự đi sâu vào quá trình hàn các vật
liệu thông dụng (quan hệ giữa các thông số, ứng xử của vật liệu trong và sau khi hàn,…
đây mới chính là mối quan tâm thật sự của chúng ta khi nghiên cứu hàn ma sát xoay),
đồng thời không đƣa ra công nghệ cũng nhƣ khả năng ứng dụng cho các chi tiết hoặc
dạng chi tiết cụ thể.
Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, hàn ma sát là một phƣơng pháp gia cơng xa lạ.
Một số doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tƣ nhƣng chƣa mạnh dạn do chƣa có cơ
hội tiếp cận và lo ngại về nguồn chất xám tại chổ khi họ đầu tƣ công nghệ.
Từ những phân tích trên ta thấy rằng hàn ma sát xoay là một hƣớng đi đầy tiềm năng
trong lĩnh vực hàn ở Việt Nam ở cả hai khía cạnh nghiên cứu và ứng dụng. Trong tƣơng
lai gần, hàn ma sát sẽ góp phần làm đa dạng sự lựa chọn khi gia công các chi tiết chất
lƣợng cho ngành chế tạo Việt Nam, và góp phần đƣa cơng nghệ chúng ta dần bắt kịp
công nghệ tiên tiến trên thế giới.

SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 9

do an


CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Lịch sử hàn ma sát.
Hàn ma sát mang lại lợi ích kinh tế cao, ít tốn nhân cơng và mức tiêu hao nguồn năng
lƣợng và đồng thời đảm bảo độ bền đặc trƣng của mối hàn. Nhƣ đã nêu, hàn ma sát là
một q trình đã có từ lâu nhƣng sự phát triển vƣợt bậc đƣợc bắt đầu từ Nga và Mỹ ở
những thập niên 1950 và sau đó phát triển mạnh ở Anh. Với công nghệ này, đƣợc A. I.
Chudikov đề nghị để xuất những ý tƣởng trƣớc đây trong năm 1954 và đƣợc phát triển
tại Viện hàn của Nga (Liên Xô trƣớc đây là nghiên cứu khoa học, Kế hoạch, thiết kế, và
viện Công nghệ Thiết bị điện hàn), đƣợc sử dụng cả hàn các vật liệu giống và khác nhau.
Năm 1960, Viện hàn đƣợc thành lập, thiết bị hàn đầu tiên đƣợc chứng minh tiềm
năng của q trình hàn thanh lên đến đƣờng kính 1 inch.
Hàn ma sát xoay là quá trình hàn đầu tiên đƣợc phát triển và sử dụng trong thƣơng
mại. Một trong những tính năng vốn có của hàn ma sát là hai q trình biến thể: Hàn ma
sát xoay thơng thƣờng và hàn ma sát xoay quán tính. Việc bố trí máy móc đơn giản nhất
đối với máy hàn ma sát thơng thƣờng liên quan đến việc cố định hai thanh xy lanh lực
trong việc điều chỉnh dọc trục. Một thanh quay trong khi một thanh khác đẩy vào tiếp
xúc dƣới áp lực dọc trục đã đƣợc lựa chọn trƣớc. Quay liên tục trong một khoảng thời
gian cụ thể, đủ để đạt đƣợc nhiệt độ mà vật liệu ở vùng kết nối ở trạng thái chảy dẻo.
Sauk khi chảy dẻo, trục quay đƣợc dừng lại trong khi lực ép đƣợc tăng lên để kết nối các
khớp.
Năm 1954, AI Chudikov của Liên Xô đã thành cơng trong thí nghiệm của hàn ma sát,
sử dụng một máy tiện sửa đổi và các thanh kim loại trịn. VNIIESO (Viện Nghiên cứu
Liên Xơ Electric Máy hàn) đã lên ý tƣởng và bắt đầu nghiên cứu và phát triển từ khoảng
năm 1956.
Năm 1957, Viện phát triển và công bố công khai máy hàn ma sát MST-1. Sau công bố
này, nhiều nƣớc bắt đầu nghiên cứu và phát triển công nghệ này cho các ứng dụng thực
tế.
Năm 1958, Sự phát triển ở Liên Xô bƣớc vào giai đoạn mà công nghệ hàn ma sát đã
đƣợc giới thiệu trong các q trình sản xuất.

SVTH: Nguyễn Đồn Xn Trường

Trang 10

do an


CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Năm 1958, BWRA (Hiệp hội nghiên cứu hàn Anh) đã thành công để sản xuất một
mẫu thử nghiệm của máy hàn ma sát. AMF Corp của Mỹ cũng công bố một nguyên mẫu
trong cùng một năm.
Năm 1960, Một tác phẩm " Mối hàn kiểu ma sát của kim loại" bởi VILL của
VNIIESO đƣợc giới thiệu nhƣ là một dữ liệu nghiên cứu tại Nhật Bản. Điều này kích
hoạt điều tra mãnh liệt và nghiên cứu về ma sát tham gia.
Năm 1960, Một nhóm nghiên cứu máy cơng cụ mang lại thơng tin hữu ích từ Liên
Xơ.
Năm 1962, Tập đồn cơng nghiệp Toyota Industries phát triển ban đầu trong nƣớc
một loại phanh ma sát máy hàn nhƣ là thiết bị sản xuất hàng loạt.
Năm 1964, Hội nghị nghiên cứu mối nối kiểu ma sát đƣợc thành lập. Sau đó nó đƣợc
đổi tên Khoa học đối với nghiên cứu mối hàn kiểu ma sát và sau đó đến Hiệp hội mối
hàn kiểu ma sát, mà tiếp tục hoạt động cho đến ngày nay.
Hàn quán tính, đƣợc phát triển ở Mỹ năm 1965, là một biến thể của hàn quán tính; các
phần quay đƣợc gắn vào bánh đà để tăng tốc độ quay đã đƣợc định sẵn. Lúc này chuyển
động bánh đà đã bị cắt. Bánh đà quay bị buộc bộ phận cố đinh phải dừng lại và kết quả
hoạt động hãm sinh ra nhiệt hàn cần thiết.
Năm 1973, Izumi bắt đầu sản xuất lô hàng của máy hàn ma sát theo thỏa thuận với tập
đồn cơng nghiệp Toyota.
Năm 1994, Tiêu chuẩn IS 3607 cho gia công các mối nối kiểu ma sát của thép carbon
đã đƣợc ban hành.

Năm 1998, Sự phát triển của giai đoạn điều khiển NC máy hàn ma sát cho các ứng
dụng thực tế.
Năm 2002, Sự phát triển một máy hàn ma sát đƣờng kính siêu nhỏ đối với ứng dụng
thực tế.
3.2 Các thơng số công nghệ hàn ma sát xoay.
Hàn ma sát xoay là một q trình hàn rèn trong đó nhiệt cần thiết đƣợc tạo ra là kết
quả của các lực ma sát giữa hai bề mặt. Nhiệt tại bề mặt này đƣợc luân chuyển với nhau
dƣới áp lực dọc trục. Khi đủ lƣợng nhiệt tạo ra, phần quay đƣợc dừng lại và lực rèn đƣợc
áp dụng. Các thơng số chính của quá trình hàn ma sát đƣợc hiển thị nhƣ là một hàm của
thời gian. Hàn ma sát là một quá trình mà có thể dễ dàng tự động. Nó có thể đƣợc sử

SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 11

do an


CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

dụng để kết nối các vật liệu khác nhau mà không thể đƣợc hàn với các q trình hàn
thơng thƣờng.

Hình 13. Sơ đồ các thơng số q trình hàn.
Ngồi phƣơng pháp hàn truyền thống, một số thơng số hàn có thể đƣợc kiểm sốt
trong hàn ma sát. Các thơng số này bao gồm đƣờng kính chi tiết hàn, tốc độ quay, tốc độ
các bộ phận trong máy hàn, thời gian ma sát, thời gian hãm, rèn thời gian, thời gian gia
tăng áp lực ma sát, lực ma sát.
Hơn nữa, các thơng số khác nhƣ hình học của các bộ phận và tính chất vật liệu cũng
rất quan trọng. Tốc độ quay, thời gian ma sát, lực ma sát, lực rèn là những thông số cần

thiết để đƣợc đƣa vào tính tốn tối ƣu hóa q trình hàn. Một q trình hàn thành cơng có
thể xảy ra nếu các thơng số đƣợc tối ƣu hóa.
Hạ thấp tốc độ của bộ phận quay sẽ gây ra mômen cực lớn và kết quả sự gia nhiệt bên
trong không đồng bộ. Mặc khác, Sự biến đổi tốc độ quay mức tối thiểu sẽ hình thành các
hợp chất liên kim. Với tốc độ quay cao hơn, ITAB đƣợc mở rộng và cung cấp điện không
bị ảnh hƣởng. Để ngăn chặn quá nóng trong vùng hàn, áp lực ma sát và thời gian ma sát
phải đƣợc kiểm soát cẩn thận.
Giá trị áp suất áp dụng trong quá trình hàn là rất đáng kể bởi vì nó điều khiển sự
chênh lệch nhiệt độ và ảnh hƣởng đến mô-men quay cũng nhƣ công suất.
Lực ma sát và lực rèn liên quan trực tiếp đến hình học và tính chất vật liệu của các bộ
phận đƣợc hàn và có phạm vi rộng lớn.
Giống nhƣ hàn thơng thƣờng, hàn ma sát khơng những có các tham số khác nhau mà
là vô cùng quan trọng trong việc sản xuất một mối hàn tốt. Một trong những nhiệm vụ
SVTH: Nguyễn Đoàn Xuân Trường

Trang 12

do an