(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6 MB, 113 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TẠ VĂN RẢNH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

S K C0 0 4 6 1 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TẠ VĂN RẢNH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. SƠ LƯỢC LÝ LỊCH
Họ và tên: TẠ VĂN RẢNH

Giới tính: Nam

Ngày tháng năm sinh: 27/10/1981.

Nơi sinh: Vĩnh Long

Quê quán: Ấp Phú An, xã Trung Thành Đông, huyện Vũng Liêm, tỉnh Vĩnh
Dân tộc: Kinh

Long.

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Phó Hiệu trưởng, Trường
Trung cấp nghề Ngã Bảy.
Địa chỉ liên lạc: 3567A, QL1A, Phường Hiệp Thành, TX Ngã Bảy, tỉnh Hậu
Giang.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng: 0984511624.

Email:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Giáo viên dạy nghề:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo: Tháng 10/2001- 2/2005.

Nơi học: Trường Cao đẳng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long.
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Tại chức

Thời gian đào tạo: tháng 10/2009- 10/2011.

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy.
Tên luận án tốt nghiệp: Thiết kế quy trình công nghệ gia công xy lanh
Bảo vệ luận án tốt nghiệp: Năm 2011.
Giáo viên hướng dẫn: TS.Phan Minh Thanh.
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo: tháng 10/2013- 10/2015.

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

i

Ngành học: Kỹ thuật cơ khí.
Tên luận văn: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay”.

Ngày và nơi bảo vệ: 24/10/2015, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Cương.
4. Ngoại ngữ: Tiếng Anh, B1 (Khung châu Âu).
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC.
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

10/2011

Trường Trung cấp nghề tỉnh Hậu Giang Phó Trưởng phòng Đào tạo

6/2013

Trường Trung cấp nghề tỉnh Hậu Giang

3/2014

Trường Trung cấp nghề Ngã Bảy

Trưởng phòng Công tác
Học sinh – Sinh viên.
Phó Hiệu Trưởng.

IV. CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ:

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC

Ngày 19 tháng 9 năm 2015
Người khai

Tạ Văn Rảnh

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 9 năm 2015
Người cam đoan

Tạ Văn Rảnh

iii

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân

i

Lời cam đoan

ii

Cảm tạ

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

v

Danh sách các hình

xi

Danh sách các bảng

xiv

Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu. ............................................................................................................................ 1
1.2 Các phương pháp hàn ma sát. ............................................................................................ 2
1.2.1. Hàn ma sát thẳng (linear friction welding): ................................................................... 2
1.2.2 Hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding): ................................................................. 3

1.2.3 Hàn ma sát xoay (Rotative friction welding): .................................................................. 5
1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. ................................................................... 5
1.3.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới...................................................................................... 5
1.3.2 Kết quả nghiên cứu trong nước. .................................................................................... 11
1.4. Các vấn đề còn tồn tài cần nghiên cứu để giải quyết. ...................................................... 12
1.5. Tính cấp thiết của đề tài. .................................................................................................. 12
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài ......................................................................... 13
1.6.1 Ý nghĩa khoa học. ........................................................................................................... 13
1.6.2. Tính thực tiễn. ............................................................................................................... 14
1.7. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu.............................................. 16
1.7.1. Mục đích nghiên cứu. .................................................................................................... 16
1.7.2 Khách thể, đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 17
1.8 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài............................................................................ 17
1.8.1 Nhiệm vụ nghiên cứu. ..................................................................................................... 17
1.8.2 Giới hạn đề tài. ............................................................................................................... 17
1.9.1 Cơ sở phương pháp luận: ............................................................................................... 18
1.9.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể: ............................................................................ 18

vii

1.10. Kế hoạch thực hiện. ........................................................................................................ 18

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 20
2.1. Lịch sử hàn ma sát. .......................................................................................................... 20
2.2. Các thông số công nghệ hàn ma sát xoay. ........................................................................ 22
2.2.1. Tốc độ quay: .................................................................................................................. 25
2.2.2. ÁP lực ma sát và áp lực rèn (áp lực chồn). ................................................................... 27
2.2.3. Lựa chọn lượng co gia nhiệt (làm nóng) ....................................................................... 28
2.2.4. Thời gian nung (thời gian ma sát) ................................................................................. 29

2.2.5. Sự tương quan giữa mô men và nhiệt năng: ................................................................. 32
2.3. Nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay. ............................................................................ 34
2.4. Đặc điểm của hàn ma sát.................................................................................................. 35
2.5. Quy trình hàn ma sát xoay. .............................................................................................. 37

Chương 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU ............................................. 39
3.1 Thông số thiết kế. .............................................................................................................. 39
3.2 Phát thảo nguyên lý hoạt động.......................................................................................... 39
3.2.1 Nguyên lý yêu cầu ........................................................................................................... 39
3.2.2 Nguyên lý hoạt động. ...................................................................................................... 39
3.3. Phương án thiết kế. .......................................................................................................... 40
3.3.1 Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện. .......................................................................... 40
3.3.2 Phương án 2: Máy hàn ma sát thông thường .................................................................... 40
3.3.3 Phương án 3: Máy hàn ma sát quán tính....................................................................... 40
3.3.4 Phương án 4: Máy hàn ma sát điều khiển tự động. ........................................................... 41
3.4.1 Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện. .......................................................................... 41
3.4.2 Phương án 2: Hàn ma sát thường..................................................................................... 42
3.4.3 Phương án 3: Hàn ma sát quán tính. ................................................................................ 42
3.4.4 Phương án 4: Hàn ma sát điều khiển tự động. .................................................................. 42
3.5 Các bộ phận máy hàn ma sát xoay. .................................................................................. 43
3.6. Đề xuất chế tạo máy hàn. ................................................................................................. 44

Chương 4. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU ............................................. 45
4.1 Phương án thiết kế thân đế. ........................................................................ 45
4.1.1 Phương án 1 .................................................................................................................... 45
4.1.2 Phương án 2: Chế tạo khung đỡ cho máy. ....................................................................... 46
4.2 Phương án thiết kế hệ thống đỡ trục chính mang mâm cặp quay. .................................. 47
4.2.1 Phương án 1: Chế tạo hợp tốc đợ chứa trục chính ............................................................ 47

viii

4.2.2 Phương án 2. Sử dụng hộp tốc độ máy tiện. ..................................................................... 48
4.3 Phương án thiết kế hệ thống kẹp chặt chi tiết đứng yên .................................................. 48
4.3.1 Phương án 1. Thiết kế cụm chi tiết sử dụng mâm cặp ba chấu tự định tâm ....................... 48
4.3.2 Phương án 2. Cơ cấu kẹp chặt bằng khối V tự định tâm. .................................................. 49
4.4. Phương án thiết kế hệ thống trượt mang cơ cấu kẹp cố định. ........................................ 50
4.4.1 Phương án 1: Sử dụng băng trượt máy tiện, gia công thêm bàn bàn trượt. ........................ 50
4.4.2 Phương án 2: Sử dụng thanh dẫn trượt (SLIDE GUIDE), ................................................ 51
4.5 Phương án thiết kế hệ thống đẩy bàn trượt bằng xy – lanh thủy lực .............................. 53
4.5.1 Phương án 1: Hai xy lanh đẩy nối tiếp nhau. ................................................................ 54
4.5.2 Phương án 2:

Sử dụng hai xy lanh kế hợp với đòn bẩy .............................................. 55

4.5.3 Phương án 3: Sử dụng 1 xy lanh, dùng van điện từ solenoid ........................................ 56
4.6. Phương án điều khiển tốc độ động cơ .............................................................................. 57
4.6.1 Phương án 1: Sử dụng puley .......................................................................................... 57
5.6.2 Phương án 2: Sử dụng biến tần ...................................................................................... 58

Chương 5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, VẬN HÀNH ..................... 60
5.1 Kết cấu tổng thể................................................................................................................. 60
5.2 Tính toán phần cơ khí ....................................................................................................... 61
5.2.1 Tính cơng suất máy

(Chi tiết xem Phục lục 01) ............................. 61

5.2.2 Tớc độ quay của trục chính

(Chi tiết xem phụ lục 02) ...................... 61

5.2.3 Tính tốn bộ truyền đai

(Chi tiết xem phụ lục 03) ...................... 61
(Chi tiết xem phụ lục 04) ............................. 62

5.2.4 Tính tốn xy lanh thủy lực

5.2.5 Mômen xoắn: .................................................................................................................. 64
5.2.6 Khoản cách hai đầu kẹp: ................................................................................................ 64
5.3. Chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay ...................................................................................... 65
5.3.1. Chế tạo khung đỡ .......................................................................................................... 65
5.3.2. Lắp ráp bộ phận gá trục chính mang mâm cặp quay .................................................. 66
5.3.3. Chế tạo cơ cấu mang mâm cặp không quay. ................................................................ 66
5.3.4. Chế tạo hệ thống trượt. ................................................................................................ 67
5.3.5. Chế tạo bộ phận gá lắp xy lanh thủy lực ...................................................................... 68
5.4 Vận hành thiết bị. .............................................................................................................. 70

Chương 6. THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ............................................................. 72
6.1. Vật liệu thử nghiệm. ......................................................................................................... 72
6.1.2. Mẫu thử nghiệm ............................................................................................................ 74
6.1.3. Thông số thử nghiệm ..................................................................................................... 74

ix

6.2. Thử nghiệm. ..................................................................................................................... 75
6.2.1. Chuẩn bị mẫu thử nghiệm ............................................................................................ 75
6.2.2. Tiến hành thử nghiệm. .................................................................................................. 76
6.3. Sản phẩm thử nghiệm hàn ma sát. .................................................................................. 78

6.3.1. Thép không gỉ 304 ......................................................................................................... 78
6.3.2 Nhôm AA1050 ................................................................................................................ 79
6.3.3 Thép CT3 ........................................................................................................................ 79
6.4. Đánh giá chất lượng mẫu hàn. ......................................................................................... 79
6.4.1. Kiểm tra độ bền kéo mẫu hàn. ...................................................................................... 81
6.4.2. Đánh giá chất lượng mối hàn. ....................................................................................... 88

Chương 7. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............... 89
7.1. Kết luận: ........................................................................................................................... 89
7.2. Kiến nghị: ......................................................................................................................... 89

PHỤ LỤC 01. TÍNH CÔNG SUẤT MÁY ........................................................ 96
PHỤ LỤC 02. TÍNH TỐC ĐỘ QUAY TRỤC CHÍNH.................................... 97
PHỤ LỤC 03. TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐAI .............................................. 98
PHỤ LỤC 04. TÍNH TOÁN LY LANH THỦY LỰC ...................................... 98
PHỤ LỤC 05. ĐƯỜNG KÍNH CỦA ĐƯỜNG ỐNG ..................................... 102

x

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu.

Trong ngành kĩ thuật cơ khí, hàn giữ mợt vai trị rất quan trọng, nhất là
trong cơng c̣c cơng nghiệp hố – hiện đại hố ở nước ta hiện nay. Hàn đã
và đang được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kỹ tḥt như: Làm
kết cấu nhà xưởng, xây dựng cơng trình, lắp ghép các chi tiết, đắp tạo các trục,
thiết kế chế tạo các sản phẩm cơ khí, phục hồi các chi tiết máy sau một thời
gian làm việc…, với nhiều tính năng ưu việt, năng xuất chất lượng cao. Trong
thời đại ngày nay, với trình độ khoa học ngày càng phát tiển mạnh mẽ, thì hàn

đã gióp phần khơng nhỏ trong việc đưa nghành cơ khí lên vị thế quan trọng
trong công cuộc phát triển kinh tế, trong các phương pháp hàn hiện nay, hàn
ma sát là một phương pháp hàn mới đầy tiềm năng với chất lượng mối hàn
vượt trội, ổn định khi làm việc và đặt biệt là thân thiện với mơi trường. Hàn
ma sát là q trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa
hai chi tiết chuyển động tương 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.
Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của lực
ép thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng. Ma sát trong hàn là ma sát
khô. Nhiệt ma sát là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình ma sát, do sự trượt tương
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 đợng tương đối giữa hai chi tiết. Trong q 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 trường xung quanh.

1

Cơ năng chuyển
thành nhiệt năng

Vật liệu vùng hàn
dẻo.

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

Hình 1. 1: Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát.
1.2 Các phương pháp hàn ma sát.
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 tương 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 1. 2: Sơ đồ han ma sát xoay.
Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của
lực ép thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng. Ma sát trong hàn là ma
sát khô.
Trong đó có 3 phương pháp hàn ma sát được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế
tạo: Hàn ma sát thẳng (linear friction welding), hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir
welding), và hàn ma sát xoay (rotative friction welding).
1.2.1. Hàn ma sát thẳng (linear friction welding):
Hai chi tiết hàn chuyển động tương đối với nhau theo phương của bề mặt tiếp
xúc sinh ra nhiệt ma sát làm vật liệu bề mặt tiếp xúc nóng chảy, hai chi tiết được ép
vào nhau tạo mối hàn.
Hàn ma sát thẳng được ứng dụng hàn các chi tiết khối đặc, đặt biệt các chi tiết
có tiết diện ngang hình chữ nhật.

2

Hình 1. 3 Hai chi tiết được hàn bằng ma sát đường.
a. Ưu điểm:
- Hàn các chi tiết dạng thanh, ống khơng trịn xoay (VD: Cánh turbin bằng Ti).
- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ.
- Ứng dụng rất nhiều trong hàn chất dẻo.
- Hàn các kim loại khác nhau với nhau.

b. Nhược điểm:
- Lượng chùn của kim loại mối hàn lớn.
- Phải gia công cơ khí sau hàn.
- Thiết bị đắt tiền.
- Khơng thích hợp lắm đối với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao.
1.2.2 Hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding):
Hai bề mặt hàn được đặt tiếp xúc với nhau, dao sẽ chạy giữa hai bề mặt hàn, nhiệt
ma sát sẽ làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, phoi nóng chảy được ép xuống
mối hàn nhờ vai của dao.
Hàn ma sát đảo được ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đường ống, tuy nhiên
phương pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhất định
và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng.

3

Hình 1. 4: Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái).

Hình 1. 5: Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái).
1) Một dụng cụ vận hành bằng máy đẩy đầu xoay hay đầu dò vào kim loại.
2) Tốc đợ quay và tún tính của đầu xoay rất quan trọng trong quá trình này và
thay đởi phụ tḥc vào tính chất của kim loại.
3) Đầu xoay tạo ra nhiệt và gắn kết kim loại với nhau.
4) Ma sát làm mềm kim loại dọc theo đường hàn, đưa chúng vào tình trạng mềm
nhão mà không làm tan chảy.
a. Ưu điểm:
- Hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm (phẳng hoặc định hình profil) đến 25mm.
- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ.
- Dễ cơ khí hóa, tự đợng hóa (dùng Robot).
- Hàn được các hợp kim đặc biệt trong hàng không, vũ trụ.

b. Nhược điểm:
- Có hố lõm cuối đường hàn.
- Thiết bị đắt tiền.

4

- Cần phải đỡ ở mặt đối diện.
1.2.3 Hàn ma sát xoay (Rotative friction welding):
Hai chi tiết quay tương đối với nhau sinh ra nhiệt ma sát làm nóng chảy vật liệu
tại vùng tiếp xúc, hai chi tiết được ép vào nhau tạo mối hàn.
Hàn ma sát xoay được ứng dụng hàn các chi tiết dạng trụ.
Tuy công nghệ và đặc tính khác nhau nhưng các phương pháp hàn ma sát đều có
điểm chung là sử dụng nhiệt năng sinh ra từ cơ năng, từ đó làm dẻo vùng vật liệu
cần hàn. Dưới đây là nguyên lý hàn ma sát:

Hình 1. 6: Sơ đồ hàn ma sát xoay.
a. Ưu điểm:
- Hàn các chi tiết dạng thanh, ống tròn xoay hoặc khơng trịn xoay.
- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ.
- Năng suất rất cao.
- Hàn các kim loại khác nhau với nhau.
b. Nhược điểm:
- Lượng chùn của kim loại mối hàn lớn.
- Phải gia công cơ khí sau hàn.
- Thiết bị đắt tiền.

1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.3.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới.

5

Theo tài liệu Hiệp Hội Hàn của Mỹ, hàn ma sát xoay được cấp bằng sáng chế
năm 1891. Trong những năm 1920 đến 1942 hàng loạt bằng sáng chế công nghệ hàn
ma sát xoay được 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 được nghiên
cứu, ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật quân sự. Hầu hết thiết bị được 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 được phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao của ngành công nghiệp chế tạo. Tại các trường đại học, rất nhiều nghiên
cứu về hàn ma sát xoay đã được thực hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau. Có vài
nghiên cứu chuyên sâu về ma sát xoay đã được thực hiện trên thế giới.
a. Máy hàn ma sát xoay:
- “Friction Welding on Lathe Machine with special Fixture” do Gourav sardana
bộ môn kỹ thuật cơ khí và phó giáo sư Ajay Lohan viện công nghệ và quản trị Om,
Hissar Ấn Độ. Đã nghiên cứu đồ gá đặt biệt hàn ma sát trên máy tiện. Đăng trên Tạp
chí khoa học kỹ thuật và đổi mới công nghệ (IJIET).
- “Fabrication of Friction Welding on Centre Lathe: A Case Study” Một nghiên
cứu sự chế tạo của hàn ma sát trên máy tiện có mũi tâm () do Jagroop Singh,
Karamdeep Singh bộ môn kỹ thuật cơ khí, ACEM, K apur thala, Punjab, Ấn Độ. Đã
nghiên cứu hàn ma sát xoay trên máy tiện có mũi chống tâm. Đăng trên tạp chí Quốc
tế về nghiên cứu kỹ thuật công nghệ cơ khí. 146 InternatIonal Journal of research
In MechanIcal Engineering & Technology (IJRMET) Vol. 4, Issu E2, May- October
2014.
- “Design and Development of Micro Friction Welding Machine and
Investigation of Welding Parameters for Similar Materials” do P A Thakare, Lt
Randheer Singh đã Thiết kế và phát triển vi máy hàn ma sát xoay và thực nghiệm

6

các thông số hàn ma sát các vật liệu giống nhau, đăng trên Tạp chí quốc tế nghiên
cứu về khoa học và kỹ thuật, Volume 5, Issue 6, June-2014.
b. Hiện tượng cơ nhiệt trong quá trình hàn ma sát xoay:
- “Thermo-mechanical phenomena in the process of friction welding of
corundum ceramics and aluminium” do Z.Lindemann, K. Skalski, W. Wosin Ski,
và J. Zimmerman thực hiện tại khoa thiết kế chế tạo trường đại học Warsaw Phần
Lan đã nghiên cứu Hiện tượng cơ-nhiệt trong quá trình hàn ma sát đối với gốm sứ
corundum và nhôm;
- “A Study on the Effect of External Heating of the Friction Welded Joint” do
Ruma Mohd Abdul Wahed, Mohammed Farhan thực hiện. Đã nghiên cứu ảnh
hưởng của nhiệt bên ngồi mối hàn ma sát đăng trên Tạp chí quốc tế về công nghệ
mới nổi và kỹ thuật cao, Volume 3, Issue 5, May 2013.
- “Experimental study on the effect of heating time on mechanical properties of
nylon-6 joints produced by friction welding” do Jatinder Gill, Jagdev Singh Thực
nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt trên tính chất cơ học của sản
phẩm khớp nối nylon bởi hàn ma sát đăng trên Tạp chí quốc tế về nghiên cứu kỹ
thuật nâng cao và nghiên cứu khoa học E-ISSN2249–8974.
- “Experimental Determination of Temperature during Rotary Friction Welding
of Dissimilar Materials” do Eder Paduan Alves, Chen Ying AN, Francisco Piorino
Neto, Eduardo dos Ferro Santos4, 2012 tiến hành Thực nghiệm xác định nhiệt đợ
trong q trình hàn ma sát xoay của các vật liệu khác nhau đăng tên tạp chí nhà xuất
bản khoa học và kỹ thuật.
- “Study of Heat Affected Zone (HAZ) in Friction Welding Process” do Ali
Moarrefzadeh, thành viên khoa kỹ thuật cơ khí, Mahshahr Branch, trường đại học
hồi giáo Azad, Mahshahr, Iran, đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt trong quá trình
hàn ma sát, đăng trên tạp chí cơ khí 2012.

7

- “Experimental determination of temperature during rotary friction welding of
aa1050 aluminum with aisi 304 stainless steel” do Eder Paduan Alves, Francisco
Piorino Neto, Chen Ying An, Euclides Castorino da Silva đã tiến hành Khảo sát
thực nghiệm nhiệt độ Trong thời gian hàn ma sát xoay của AA1050 nhôm với AISI
304 thép không gỉ
c. Hàn vật liệu khác nhau:
- “Friction Welding of Aluminum Alloy and Steel” do H. Ochi nghiên cứu tại
trung tâm nghiên cứu Hàn, viện nghiên cứu kỹ thuật Osaka, Osaka, Nhật cùng với
K. Ogawa tại trường cao đẳng Tự Nhiên và Mỹ Thuật, trường đại học quận Osaka,
Sakai, Nhật;… đã nghiên cứu tính chất của mối hàn hai vật liệu là nhôm và thép.
- “Friction welding to join stainless steel and aluminum materials” do
shubhavardhan r.n & surendran Madras Chennai, 600036, Chennai, Tamil Nadu,
giáo sư Ấn Độ, Madras Chennai, Tamil Nadu thực hiện sự Hàn ma sát nối vật liệu
nhôm và thép khơng gỉ, đăng trên tạp chí quốc tế ngành luyện kim và tạp chí khoa
học kỹ thuật ISSN 2278-2516 Vol.2, Issue 3 Sep 2012 53-73.
- “Effect of welding speed on mechanical strength of friction welded joint of
YSZ-Alumina composite and 6061 Aluminum Alloy” do M. B. Uday, M.N. Ahmad
Fauzi, Zuhailawati H., A.B. Ismail Trường Đại học Vật liệu và tài nguyên khoáng
sản Cơ khí, Kỹ thuật Campus, Malaysia, đã nghiên cứu Ảnh hưởng của tốc độ hàn
trên độ bền cơ học của mối hàn ma sát của YSZ- composite nhôm và 6061 hợp kim
nhôm, đăng trên tạp chí Khoa học vật liệu và kỹ thuật A 528 (2011) 4753–4760.
d. Đánh giá hàn ma sát:
- “Inertia friction welding of nickel base superalloys for aerospace applications”
do G.J. Baxter, M. Preuss và P.J. Withers nghiên cứu tại viện nghiên cứu vật liệu tự
nhiên Manchester, Anh đã nghiên cứu hàn ma sát quán tính đối với hợp kim nickel
ứng dụng trong ngành hàng không;

8

- “Studies on friction weldability of low Carbon Steel with Stainless Steel and
Aluminium with Copper” Nghiên cứu khả năng hàn ma sát của thép cacbon thấp
với thép không gỉ và giữa nhôm với đồng do PIAAR NAGAR, CHENNAI – 119,
Ấn Độ. Luận văn của D. ANANTHAPADMANABAN khoa cơ khí trường Đại học
kỹ thuật SATHYABAMA JEP.
- “experimental investigation and stastical analysis of the friction welding
parameters for the copper alloy - cu zn28 using taguchi method” do do P. Shiva
Shankar, L. Suresh Kumar, N. Ravinder Reddy Khoa kỹ thuật cơ khí, trường cao
đẳng kỹ thuật Ramanandathirta, Nalgonda, AP, Ấn Độ đã thự chiện C̣c khảo sát
thực nghiệm và phân tích các thơng số hàn ma sát hợp kim đồng Cu Zn28 sử dụng
phương pháp taguchi. Đăng trên tạp chí Khoa kỹ thuật cơ khí, CBIT, Hyderabad.
Khoa kỹ thuật cơ khí, Trường cao đẳng kỹ thuật Bhoj Reddy, tp. Hyderabad Ấn Độ.
- “Friction Welding - A Review”do Amit Handa, Vikas Chawla. Machines
Review ISSN: 2408-9141 Vol. 1, No. 2, 34-38, 2014. PhD Research Scholar, trường
đại học kỹ thuật Punjab, Kapurthala, (Punjab) Ấn Độ. Hiệu trưởng trường Cao đẳng
kỹ thuật và công nghệ, Ferozepur, (Punjab) Ấn Độ đã đánh giá hàn ma sát.
- “Experimental investigation on friction characteristics of modified za-27 alloy
using taguchi technique” do Veerabhadrappa Algur1, Kabadi, Ganechari and
Sharanabasappa đã tiến hành Thực nghiệm khảo sát về đặc tính hàn của sự biến đởi
hợp kim ZA 27 bằng phương pháp Taguchi, đăng trên tạp chí quốc tế nghiên cứu về
kỹ thuật cơ khí và robot Vol. 3, No. 4, October 2014© 2014 IJMERR. All Rights
Reserved.
- “Experimenttal study of mechanical properties of friction welded AISI 1021
steels” do Amit Handa punjub trường đại học công nghệ, Jalandhar 144004, Ấn Độ
và Vikas Chawla Dav trường Cao đẳng kỹ thuật công nghệ, Kania 123023, Ấn Độ
đã tiến hành Thực nghiệm nghiên cứu tính chất cơ học của mối hàn ma sát thép AISI

1021.

9

- “Mechanical and Metalurgical Properties of Friction Welded Aluminium
Joints” do Mumin Sahin and Cenk Misirli đã nghiên cứu Tính chất cơ học và đặc
tính luyện kim của mối hàn ma sát hợp kim nhôm đăng trên tập chí kỹ thuật công
nghệ quốc tế ( INTECH).
- “Numerical Modeling of Friction Welding Process” do Ali. Moarrefzadeh
thực hiện Mô hình số của quá trình hàn ma sát, đăng trên tạp chí khoa học quốc tế
đa ngành và khoa học kỹ thuật VOL. 2, NO. 8, tháng 11 năm 2011.
- “Influence of Interface Surface Geometries In The Tensile Characteristics Of
Friction Welded

Joints From Aluminium Allo”

do Baiju Sasidharan,

Dr.K.P.Narayanan, R.Arivazhakan. viện kỹ thuật và kỹ thuật cơ khí Civil của học
viện công nghệ Rajiv Gandhi, Kottayam, Kerala, Ấn Đợ đã nghiên cứu Ảnh hưởng
của hình học bề mặt khớp nối trong đặc trưng bền kéo của mối hàn ma sát từ hợp
kim nhơm, đăng trên tạp chí quốc tế về nghiên cứu sáng tạo trong khoa học, kỹ
thuật và công nghệ An ISO 3297: 2007 Certified Organization, Volume 2, Special
Issue 1, December 2013.
e. Hội thảo về hàn ma sát:
- Hội thảo vê hàn ma sát và hàn ma sát khuấy (Two day workshop on friction
welding & friction stir welding 24 & 25 November, 2011) do Dr K. Narasimha
Murthy, Dr V.P Raghuphathy, Mr D. Serthuram. Trung tâm quốc tế về sự tiến bộ
của công nghệ sản xuất, khoa học hàn Ấn Độ.

- Hội thảo Hàn ma sát những vật liệu khác nhau (friction welding of different
materials) do Trakya trường đại học Faculty of Eng. and Arch. Dept. Mech. Eng.
22180, Edirne – Thổ Nhỉ Kỳ, Hội thảo khoa học quốc tế từ ngày 19 – 20 november
2010, gabrovo.
Ngoài các vật liệu truyền thống (kim loại), ngày nay hàn ma sát xoay còn được
ứng dụng trong các loại vật liệu phi truyền thống như 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 trường đại học nên hầu hết các nghiên cứu đều

10

không được 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

1.3.2 Kết quả nghiên cứu trong nước.
Ở nước ta, hàn ma sát nói chung và hàn ma sát xoay nói riêng vẫn còn là lĩnh
vực mới mẽ. Chỉ có một số công trình nghiên cứu của đại học Nha Trang kết hợp
với Nhật đã được thực hiện.
- “Những kết quả ban đầu về ứng xử mỏi của kết cấu hàn ma sát giữa hai siêu
hợp kim INC718 và M247” của tiến sĩ Trần Hưng Trà đã nghiên cứu những ứng xử
ban đầu về mỏi, đặc biệt quan tâm đến ứng xử cơ học vết nứt và cấu trúc vi mô của
mối hàn ma sát của cặp siêu hợp kim INC718 và M247.
- “ Tập trung biến dạng và ứng suất trong mối hàn ma sát giữa hai siêu hợp
kim M247 và INC718” của tiến sĩ Trần Hưng Trà đã nghiên cứu sự tập trung biến
dạng và ứng suất tại khu vực mối hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim M247 và INC178
bằng mơ hình phần tử hữu hạn.
- “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dụng cụ đến chất lượng mối
hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng” luận văn thạc sĩ của Thân Trọng Khánh
Đạt khoa cơ khí Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, đã nghiên cứu ảnh hưởng của

góc nghiên đầu khuấy đến chất lượng sản phẩm trên tấm nhôm phẳng trên hộp kim
nhôm 5052
- 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 đặc biệt, chưa 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

11

sát xoay), đồng thời không đưa ra kết cấu máy hàn và sản phẩm hàn cũng như 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 phương pháp gia công
xa lạ. Một số doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tư nhưng chưa mạnh dạn,
do chưa có cơ hội tiếp cận và lo ngại về nguồn chất xám tại chỗ khi họ đầu tư công
nghệ.
Từ những phân tích trên ta thấy rằng hàn ma sát xoay là một hướng đi đầy tiềm
năng trong lĩnh vực hàn ở Việt Nam, ở cả hai khía cạnh nghiên cứu và ứng dụng.
Trong tương lai gần, hàn ma sát sẽ góp phần làm đa dạng sự lựa chọn khi gia công
các chi tiết chất lượng cho ngành chế tạo Việt Nam, góp phần đưa công nghệ chúng
ta dần bắt kịp công nghệ tiên tiến trên thế giới.
1.4. Các vấn đề còn tồn tài cần nghiên cứu để giải quyết.
Mặc dù hàn ma sát xoay được nghiên cứu, chế tạo và đưa vào sản xuất ở các
nước tiên tiến trên thế giớ như Mỹ, Nga, Nhật, Đức, Pháp, Ấn Độ…từ những thập
niên 90. Tuy nhiên đây là những máy hàn chuyên dùng, kết cấu tương đối lớn và
đắt tiền. Với điều kiện sản xuất như Việt Nam hiện nay cần những máy hàn ma sát
xoay có kích thước tương đối nhỏ gọn, tín vạn năng cao, chi phí chế tạo thiết bị thấp,
có thể vừa hàn ma sát vừa tiện. Dó đó vấn đề ở đây là cần chế tạo các bộ phận lắp
trên máy tiện để trở thành máy hàn ma sát và khi tháo ra nó vẫn là máy tiện.

1.5. Tính cấp thiết của đề tài.
Cơng nghệ hàn là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo,
hầu hết các máy móc thiết bị, công trình đều có liên quan đến hàn kết nối các vật
liệu với nhau, trong lĩnh vực sửa chữa hàn được thực hiện nhiều hơn. Tuy nhiên hàn
hồ quang, hay hàn nóng chảy đều ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu, phần vật liệu
bị đốt nóng gây ra một số khuyết tật ảnh hưởng đến tính chất mối hàn như: Các vết
nứt nóng, nứt nguội, nứt tế vi, ngoài ra còn các khuyết tật như rỗ khí, lẫn xỉ, hàn
không ngấu, lẹm chân, chảy loang, sai lệch về hình dáng bên ngoài của chi tiết, quá
nhiệt…Các khuyết tật này ảnh hưởng rất lớn đến chi tiết trong quá trình sử dụng,

12

đặc biệt là những chi tiết chịu tải trọng, ứng suất, chịu kéo nén…Bên cạnh đó hàn
bằng phương pháp đốt chảy vật liệu tốn nhiều điện năng, tốn chi phí cho chất trung
giang, chất thải, khói hàn gây bệnh tật và ô nhiểm môi trường. 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 lượng mối hàn tốt hơn.

Hình 1. 7: Vết nứt trên mối hàn hồ quang.

Hình 1. 8: Mối hàn bị lẫn xỉ

Hình 1. 9: Mối hàn không ngấu

1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài
1.6.1 Ý nghĩa khoa học.
- Hàn ma sát xoay là một trong những phương pháp hàn ma sát tiên tiến
và là công nghệ hàn mới hiện nay. Hàn ma sát xoay đã được nhiều nước và
nhiều hãng sản xuất lớn trên thế thới đầu tư nghiên cứu và ứng dụng rất hiệu

quả vào thực tiển.
- Hàn ma sát là một trong những phương pháp hàn thân tiện với môi
trường. Nguồn năng lượng hàn chủ yếu là nguồn nhiệt do ma sát giữa các bề
mặt tiếp xúc của chi tiết hàn, nguồn nhiệt này làm cho bề mặt chi tiết chảy dẻo
mãnh liệt trong cấu trúc vật liệu, nét mới trong kỹ thuật cơ khí sinh học hiện
nay.

13

- Nguyên lý hàn hoàn toàn mới do đó cần rất nhiều công trình nghiên cứu từ
căn bản đến chuyên sâu.
- Tổ chức vật liệu tại mối hàn thay đổi so với vật liệu gốc, có thể đạt được cấu
trúc nano tại mối hàn.
- Vật liệu tại mối hàn có ý nghĩa trong ngành vật liệu mới.
- Khả năng ứng dụng thực tế cao nên đây là nguồn đề tài hữu ích cho ngành
chế tạo của Việt Nam.
- Yêu cầu thiết bị thí nghiệm đơn giản, cơ sở lý thuyết gói gọn trong ngành cơ
khí rất phù hợp với điều kiện nghiên cứu hiện tại trong các trường đại học.
- Tiếp cận và từng bước hoà nhập vào các lĩnh vực gia công tiên tiến trên thế
giới.

1.6.2. Tính thực tiễn.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật công nghệ, lĩnh
vực hàn cũng được đầu tư nghiên cứu, cải tiến nhằm đem lại sản phẩm đáp
ứng ngày càng cao phục vụ nhu cầu phát triển khoa học công nghệ. Các ngành
công nghiệp đòi hỏi tiêu chuẩn kỹ thuật khắc khe về độ bền va đâp, độ bền
mỏi, giảm khi phí và giá thành sản xuất như: Ngành đóng tàu, dầu khí, hàng
không, quân sự, ô tô…Việc nghiên cứu và ứng dụng hàn ma sát xoay là rất
cần thiết, từng bước ứng dụng có hiệu quả công nghệ tiên tiến trên thế giới.

Hàn ma sát xoay mang lại nhiều lợi ích kinh tế như: Chi phí sản xuất thấp
do ít tiêu hao nguồn năng lượng, giải quyết được bài toán những chi tiết có
kết cấu phức tạp, giảm giá thành sản phẩm nhờ kết nối được hai vật liệu khác
nhau trên cùng một chi tiết nhưng vẫn đảm bảo tính ổn định và hiệu quả sử
dụng.

14

Ứng dụng cho nhiều loại vật liệu từ phi kim (nhựa, polymer,…) đến kim
loại (hợp kim nickel, thép cacbon thấp và trung bình, thép đã được thấm
cacbon và nitơ, thép chống ăn mòn, titan, hợp kim nhôm,…).
Vật liệu hai chi tiết hàn có thể khác nhau (nhiệt độ nóng chảy gần bằng
nhau và hệ số ma sát đủ lớn), rất phù hợp cho các chi tiết cần sự phối hợp cơ
tính của hai loại vật liệu khác nhau.
Hàn được chi tiết có hình dạng phức tạp từ vật liệu khác nhau nên được
ứng dụng rộng rãi.
Độ chính xác cao, có khả năng tự động hoá, quá trình điều khiển loại trừ
khả năng sai sót do con người gây ra, chất lượng mối hàn không phụ thuộc
vào kỹ năng và tư thế của công nhân khi sản xuất.
Các thông số được giám sát một cách dễ dàng.
Mối hàn chất lượng cao do toàn bộ bề mặt tiếp xúc với nhau khi hàn, do
không dùng thuốc hàn nên không bị xỉ, không bị rổ khí, thiên tích.
Oxit kim loại và tạp chất trên bề mặt tiếp xúc được đẩy ra khỏi mối hàn
cùng với bavia.
Ngoài ra phương pháp hàn ma sát xoay còn được ứng dụng để chế tạo
các chi tiết bán thành phẩm. Các chi tiết cần sự phối hợp cơ tính của hai loại
vật liệu khác nhau. Các chi tiết cần sự chính xác cao như van trong động cơ
đốt trong, trục cánh quạt trong ngành hàng không vũ trụ, các chi tiết chịu tải
lớn như trục gát đăng, trục bánh răng, ống chịu lực; các chi tiết trong thiết bị

quốc phòng như pháo, xe tăng, súng,…

15

Hình 1. 10: Mợt số sản phẩm điển hình.

Hình 1. 11: Sản phẩm của công ty ANGEN .

1.7. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu.
1.7.1. Mục đích nghiên cứu.

16

(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về