Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy hàn nguội áp lực phục vụ đào tạo, nghiên cứu khoa học

Chủ nhiệm: TS. Vũ Ngọc Thương

Năm đăng ký: 2015

Năm nghiệm thu: 2016

Tóm tắt:

1. Tính cấp thiết

Những năm gần đây các trường Đại học Sư phạm kỹ thuật, cao đẳng nghề, trung cấp nghề đã được quan tâm đầu tư nhiều trang thiết bị và công nghệ mới, trong đó có nhiều thiết bị thuộc chuyên ngành Cơ khí, Hàn. Đối với chuyên ngành công nghệ Hàn hầu hết các trường đều có các loại máy hàn hồ quang điện, hàn khí… Tuy nhiên vẫn còn những thiết bị công nghệ hàn đặc biệt, tiên tiến nhiều trường chưa có điều kiện đầu tư như: Máy hàn laze, hàn siêu âm, hàn ma sát, hàn nguội áp lực. Do chưa có máy, thiết bị nên hầu hết các môn học liên quan đến các phương pháp hàn đặc biệt chủ yếu được dạy và học lý thuyết còn phần thực hành, thí nghiệm sinh viên không được thực tập.

Từ thực tế trên chúng tôi nhận thấy rằng việc nghiên cứu chế tạo máy hàn nguội áp lực sẽ có ý nghĩa về mặt khoa học cũng như giá trị ứng dụng thực tiễn cao, phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học ở các trường kỹ thuật.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về công nghệ và máy hàn nguội
Phân tích, tính toán lựa chọn phương án thiết kế chế tạo máy
Thiết kế, chế tạo, lắp đặt cơ cấu cơ khí, hệ thống điện điều khiển
Viết phần mềm xử lý số liệu của thông số hàn
Hàn thực nghiệm các mối hàn mẫu trên máy đã được chế tạo

3. Kết cấu của đề tài

Báo cáo tổng hợp của đề tài ngoài phần mở đầu và kết luận, phần nội dung chính được thể hiện trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ và máy hàn nguội áp lực.

Chương 2: Thiết kế chế tạo máy hàn nguội áp lực.

Chương 3: Lắp ráp vận hành, đánh giá khả năng làm việc của máy.

4. Nội dung chính của đề tài

4.1. Chương 1: Tổng quan về công nghệ và máy hàn nguội áp lực

Đề tài trình bày tổng quan thực trạng công nghệ và thiết bị hàn nguội áp lực trong nước và quốc tế. Hàn nguội áp lực (không gia nhiệt) là phương pháp hàn được thực hiện trên cơ sở biến dạng dẻo kim loại mà không cần làm nóng chỗ tiếp xúc của chi tiết hàn, nhiệt độ hàn thường là nhiệt độ phòng thậm chí âm độ. Công nghệ này đã được các nhà khoa học ở Châu Âu và Nga tập trung nghiên cứu từ giữa thế kỷ 19 và ứng dụng vào thực tế sản xuất, đặc biệt trong công nghiệp quốc phòng. Tại Việt Nam, công nghệ hàn nguội đến nay vẫn chưa được chuyển giao nghiên cứu và ứng dụng.

Đề tài phân tích những đặc trưng cơ bản của máy hàn nguội áp lực, bao gồm: nguyên lý làm việc dựa trên tạo lực ép lớn; phân loại theo dòng máy (trước và sau năm 1980) và theo cơ cấu tạo lực (cơ học và thủy lực); các bộ phận và cơ cấu chính gồm: phần khung – bệ máy, cơ cấu cơ khí tạo lực ép, khuôn mẫu, bộ phận điều khiển và các phần hỗ trợ. Từ đó làm rõ cơ sở khoa học cho việc thiết kế chế tạo máy.

4.2. Chương 2: Thiết kế chế tạo máy hàn nguội áp lực

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm các phương án (máy ép trục vít, ép tay quay, ép thủy lực), đề tài lựa chọn phương án thiết kế máy hàn nguội dạng máy ép thủy lực do có ưu điểm tạo lực ép lớn, dễ điều chỉnh áp suất và thuận lợi tự động hóa.

Về cơ cấu cơ khí, đề tài tính toán và thiết kế khung máy dạng ngàm cố định với vật liệu thép CT31 (σch = 216-235 MPa), tính toán kiểm nghiệm bền cho thanh ngang và thanh đứng của ngàm chịu lực ép tối đa 10 tấn (100 kN). Kết quả kiểm nghiệm cho thấy ứng suất thực tế đạt 19,3 kN/cm² thỏa mãn điều kiện bền (≤ 20 kN/cm²). Bàn gá phôi được chế tạo từ thép CT31 kích thước 180×180×20 mm. Khuôn mẫu hàn điểm được chế tạo từ vật liệu C11 (SKD11) đảm bảo tính chống mài mòn và độ cứng vững khi làm việc.

Về hệ thống thủy lực, đề tài thiết kế hệ truyền động thủy lực thể tích với xy lanh điều khiển chày ép, áp suất làm việc 180 bar, lực ép 10 tấn, hành trình 150 mm. Tính toán và lựa chọn các thiết bị: xy lanh thủy lực (D = 50 mm), bơm bánh răng TAIWAN FLUID POWER HGP-3A-*19* (lưu lượng riêng q = 19,2 cm³/vòng, Pmax = 250 bar), động cơ điện 3K160S4 công suất 2,2 kW, van phân phối 4/3 DSG-02-03-C60, van an toàn MRV-03-P-3, van chống lún MPCV-03-W, bộ lọc dầu MF-06 và bể dầu kích thước 350×300×300 mm.

Về hệ thống điều khiển, đề tài thiết kế hệ thống điện điều khiển theo vòng kín (có hồi tiếp) với các thiết bị chính: PLC Siemens S7-300 CPU314C-2DP, biến tần SIEMENS MM420, cảm biến vị trí (thước tuyến tính điện trở 6,8 kΩ, chiều dài 200 mm), giao diện HMI sử dụng phần mềm WinCC Flexible 2008 trên máy tính PC. Máy hoạt động ở hai chế độ: bằng tay và tự động.

Đề tài còn xây dựng phần mềm tính toán xử lý thông số hàn nguội lập trình bằng ngôn ngữ C# trên nền tảng .NET Framework. Phần mềm cho phép nhập thông số đầu vào (chiều dày vật liệu, hệ số ứng xuất, thiết diện liên kết), tính toán tỉ lệ biến dạng và lực ép, lưu trữ số liệu, đọc file và vẽ đồ thị quan hệ giữa tỉ lệ biến dạng và lực ép.

4.3. Chương 3: Lắp ráp vận hành, đánh giá khả năng làm việc của máy

Đề tài xây dựng quy trình lắp ráp máy theo trình tự: lắp bệ máy, lắp khung và các cơ cấu cơ khí, lắp bàn gá phôi, lắp bể dầu và hệ thống thủy lực, lắp hệ thống điện điều khiển. Quy trình vận hành máy gồm 10 bước từ kiểm tra an toàn, lắp khuôn, gá phôi đến hàn và tháo phôi.

Kết quả đánh giá khả năng làm việc của máy: khi chạy không tải (áp suất thử 70 bar), hệ thống thủy lực và điện đảm bảo an toàn; khi chạy có tải, máy hoạt động ổn định, khung máy đảm bảo độ cứng vững, thiết bị và nguồn thủy lực hoạt động bình thường.

Thực nghiệm hàn được thực hiện trên phôi nhôm A1050 (độ bền kéo 230 MPa) với hai loại chiều dày vật liệu s = 1,5 mm và s = 2,5 mm, chày ép đường kính 8 mm, áp suất ép 50 bar, nhiệt độ môi trường 18-23°C. Kết quả kiểm tra ngoại dạng mối hàn cho thấy mức độ biến dạng đạt trên 70% đối với cả hai loại mẫu, đảm bảo hình thành liên kết hàn nguội tốt. Thử nghiệm độ bền kéo trên máy WEW-600D tại phòng thí nghiệm trường ĐHSPKT Nam Định với 3 mẫu cho kết quả: lực kéo lớn nhất đạt 7,15 kN; 8,76 kN và 9,04 kN, tương ứng độ bền kéo 143 MPa; 175,2 MPa và 180,8 MPa, đạt 62,1% – 78,6% so với kim loại cơ bản nhôm A1050. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu về hàn nguội vật liệu nhôm trên thế giới.

Máy hàn nguội áp lực đã được ứng dụng thử nghiệm bước đầu trong sản xuất tại Công ty Cổ phần khoa học công nghệ Việt Nga (khu công nghiệp An Xá, TP. Nam Định) cho kết quả khả quan.

Thành viên đề tài:

TS. Nguyễn Ngọc Hùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định; TS. Nguyễn Văn Thành, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định; TS. Đỗ Như Ý, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định; TS. Vũ Văn Ba, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định; ThS. Trần Hiếu, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định; ThS. Nguyễn Văn Vũ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

Từ khóa: Hàn nguội áp lực máy hàn nguội thiết kế chế tạo hệ thống thủy lực điều khiển PLC biến dạng dẻo nhôm A1050