Chế tạo máy hàn ma sát xoay

Nội dung text: Chế tạo máy hàn ma sát xoay

1. CHẾ TẠO MÁY HÀN MA SÁT XOAY Friction welding machine manufacturing rotation Tạ Văn Rảnh 1,*, Lê Chí Cương 2 1Trường Trung cấp nghề Ngã Bảy tỉnh Hậu Giang. 2Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh *Email: ranhvl81@gmail.com TÓM TẮT Bài báo này nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy hàn ma sát xoay dựa trên nguyên lý hàn ma sát. Công suất động cơ 7,5Kw, tốc độ quay tối đa là 1500 vòng/phút, hàn được kim loại có đường kính từ 14 đến 18mm đối với phôi đặc và 18 đến 30 đối với phôi rỗng. Áp lực ma sát (p1) tối đa là 80 Mpa, áp lực rèn (P2) tối đa là 160 Mpa được tạo ra thông qua cơ cấu đẩy của piston và hệ thống thủy lực. Máy hàn được kiểm nghiệm thông qua việc hàn các mẫu kim loại và tiến hành thử độ bền kéo để đánh giá mức độ kết dính của mối hàn. ABSTRACT This paper research, design and manufacture of friction welding machines rotate based on the principle of friction welding. Motor power 7.5Kw, the maximum rotational speed of 1500 rev / min, welding materials with diameters between 14 and 18mm for workpiece characteristics and 18 to 30 for the hollow workpiece. Friction pressure (p1) The maximum was 80 Mpa, pressure forged (P2) maximum of 160 MPa is generated through the push of piston structure and hydraulic system. Welding machines are tested through the welded metal samples and conducting the tensile test to assess the level of adhesion of weld. 1. GIỚI THIỆU. Hàn ma sát là công nghệ hàn kết nối vật liệu ở trạng thái rắn. Hàn ma sát xoay là một trong những kỹ thuật hàn ma sát được phát minh từ năm 1950. Công nghệ hàn mới này đã được các nước như Nga, Mỹ, Nhật nghiên cứu, chế tạo và đưa vào sử dụng từ những thập niên 90 mang lại hiệu quả kính tế cao bởi những ưu điểm vượt trội mà các phương pháp hàn truyền thống không thể thực hiện được. Phạm vi ứng dụng rộng, có thể hàn được các chi tiết phức tạp và hàn được 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, ). Có thể hàn được các vật liệu khác nhau [1, 2, 3, 4]. Đây là phương pháp hàn vừa tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm vật liệu và thân thiện với môi trường. Hàn ma sát xoay không sử dụng thuốc hàn nên không bị bị xỉ, không bị rổ khí, thiên tích, không thảy khí độc gây nguy hại cho người vận hành cũng như môi trường. Trong quá trình hàn hai bề mặt ma sát sinh nhiệt nên không có hiện tượng đốt cháy mà chỉ chảy dẻo, hầu như không thay đổi cơ tính của vật liệu, không bị biến cứng xảy ra, đồng thời oxit kim loại và tạp chất trên bề mặt tiếp xúc được đẩy ra khỏi mối hàn cùng với bavia, đây là nguyên nhân làm cho mối hàn có cơ tính tốt hơn so với các phương pháp hàn truyền thống [9]. Trong quá trình hàn nhiệt được sinh ra bởi sự chuyển đổi năng lượng cơ học thành nhiệt năng ở bề mặt tiếp xúc của các thành phần trong quá trình quay dưới tác dụng của áp lực. Gourav sardana đã nghiên cứu đồ gá kẹp để hàn ma sát trên máy tiện đối với thanh có đường kính 10mm [6], Jagroop Singh, Karamdeep Singh đã nghiên cứu cơ cấu kẹp phôi và phanh tốc độ quay trên 1
2. máy tiện [7]. Tuy nhiên việc hàn trên máy tiện phải tốn thời gian và chi phí cho việc thiết kế đồ gá, chỉ hàn được chi tiết có đường kính tương đối nhỏ, lực ép không đồng đều do sử dụng lực ép từ nòng ụ động nên phần nào ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Bài báo giới thiệu máy hàn ma sát chuyên dùng đã được thiết kế và chế tạo cho mục đích hàn các thanh kim loại đặc, rỗng cùng tính chất, làm cơ sở để thử nghiệm hàn các vật liệu khác nhau, phục vụ nhu cầu nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực hàn ma sát. 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo máy hàn: Đây là một công trình nghiên cứu dựa trên nguyên lý hàn ma sát và những tài liệu, những bài báo có liên quan đăng trên các tạp chí nước ngoài tính tối ưu các thông số hàn [5], hiện tượng chảy dẽo và vùng ảnh hưởng nhiệt tại mối hàn [8]. Mô hình máy hàn được thiết kế trên phần ề m m Creo 3.0 dựa trên sự phân tích các tài liệu nghiên cứu và các đoạn video về hàn ma sát. Hình 1. Mô hình máy hàn ma sát xoay Hình 2. Máy hàn ma sát xoay đã chế tạo 01 Hộp tốc độ 10 Thanh trượt 19 Ốc lục giác M8 02 Trục chính 11 Xy lanh 20 Bánh xe di chuyển 03 Mâm cặp quay 12 Co nối xy lanh 21 Khung đỡ chính 04 Mâm cặp không quay 13 Ống dẫn thủy lực 22 Tám phẳng dưới 05 Mặt bích mâm cặp không quay 14 Ốc M16 23 Đông cơ trục chính 06 Mặt bích trụ 15 Đế sau xy lanh 24 Puly dẫn động 07 Khối trụ lắp mâm cặp không quay 16 Đế trước xy lanh 25 Đai thang 08 Tấm đế khối trượt 1 17 Ốc lục giác M10 26 Puly bị dẫn 09 Tấm đế khối trượt 2 18 Thùng dầu Bảng 1. Bảng chú thích các bộ phận của máy hàn ma sát xoay 2.2 Quy trình vận hành máy hàn. Bước 1: Chuẩn bị phôi hàn. Để đảm bảo chất lượng mối hàn thì bước chuẩn bị phôi hàn không thể thiếu trong quá trình hàn. Nắn thẳng phôi hàn và đảm bảo độ tròn đều. Vì nếu phôi không thẳng hoặc không tròn thì khi hàn chi tiết sẽ không đồng tâm. Làm sạch các vết đầu trên bề mặt tiếp xúc giúp chi tiết ma sát tốt hơn. Bước 2: Gá phôi hàn lên máy hàn. Phôi gá lên mâm cặp đảm bảo độ đồng tâm và đảm bảo lực kẹp sao cho phôi không bị xê dịch trong quá trình ma sát và chịu lực ép. Bước 3: Mở máy và tăng tốc độ quay của trục chính. 2
3. Sau khi khởi động, cho trục chính quay đạt đến tốc độ n cho trước, sau đó cho mâm cập không quay tịnh tiến để bề mặt hai phôi hàn tiếp xúc nhẹ. Bước 4: Tạo lực ma sát. Sau khi tốc độ quay đã ổn định, khởi động hệ thống thủy lực và tiến hành tạo lực ép P1 để hai phôi ma sát với nhau và xuất hiện hiện tượng chảy dẻo bề mặt ma sát do nhiệt tăng lên. Bước 5: Rèn hai chi tiết. Sau khi lực ma sát làm cho hai chi tiết sinh nhiệt và dòng vật liệu tại bề mặt tiếp xúc chảy tràn. Tắt máy và phanh để trục chính dừng đột ngột và tiến hành điều khiển xy lanh tạo lực ép P2 để hai chi tiết rèn lại với nhau. Bước 6: Kết thúc quá trình hàn Sau khi khớp nối hàn chuyển từ màu đỏ hồng về màu vật liệu gia công, quá trình hàn kết thúc. 2.3. Vật liệu thử nghiệm. Thép CT3: Thành phần hóa học của thép CT3 Độ bền cơ lý Tiêu chuẩn Giới hạn chảy Độ bền kéo Độ giãn dài C (%) Si (%) Mn (%) P (%) ≤ S (%) ≤ (N/mm2) (N/mm2) (%) ~ 0.18 ~ 0.10 ~ 0.60 ~ 0.030 ~ 0.040 ΓOCT 380 - 89 225 min 373 ÷ 461 22 min Bảng 2. Độ bền của thép Bảng 3. Độ bền của thép 2.4 Sản phẩm sau khi hàn. Thép CT3 có đường kính 17mm, dài 100mm, được hàn với tốc độ quay 1450 vòng/phút, lực ma sát 70Mpa, lực rèn 150Mpa, thời gian ma sát 43 giây, thời gian rèn 5 giây. Hình 2. Giai đoạn ma sát Hình 3. Giai đoạn rèn Hình 4. Sản phẩm thép CT3 sau khi hàn ma sát 2.5 Kiểm tra độ bền kéo. Mẫu phôi sau khi hàn được gia công ở phần đoạn giữa có mối hàn bằng phương pháp tiện theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 197:2002 về mẫu thử kéo. Mẫu 18. Hình 5. Mẫu chuẩn bị thử kéo theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 197:2002 3
4. Hình 6. Mẫu thử đã bị biến dạng. Hình 7. Mẫu thử đã bị kéo đứt. Mẫu 18 được thực hiện trong thời gian khoảng 70 giây từ đồ thị Hình 8 cho thấy ứng suất kéo tăng từ 0 đến trên 400Mpa và sau đó giảm dần dưới 300Mpa. Như vậy ứng suất lớn nhất đối với mẫu kéo là lớn hơn 400Mpa tương ứng với độ giãn của vật liệu trên 18% Hình 8. Đồ thị thể hiện quá trình kéo đứt mẫu Hình 9. Báo cáo kết quả thu được từ Hình 10. Đường cong biểu diễn mối quan hệ phần mềm tính toán trên máy tính giữa ứng suất và biến dạng Mẫu19 . Hình 11. Mẫu trước khi kéo Hình 12. Mẫu thử bị biến dạng Hình 13. Mẫu thử đã bị kéo đứt. Hình 14. Mối hàn đảm bảo độ dính sau khi kéo. Quá trình kéo đứt mẫu thử đã thực hiện trong thời gian 99 giây, từ đồ thị Hình 15 cho thấy ứng suất kéo tăng từ 0 đến 400Mpa và sau đó giảm dần còn 300Mpa. Như vậy ứng suất lớn nhất đối với mẫu kéo là 400Mpa tương ứng với độ giãn của vật liệu trên 20% 4
5. Hình 15. Thể hiện quá trình kéo đứt mẫu 19 Hình 16. Báo cáo kết quả thu được từ Hình 17. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa phần mềm tính toán trên máy tính ứng suất và biến dạng Từ kết quả thể hiện trên biểu đồ và kết quả đo trực tiếp trên mẫu sau khi kéo đứt để tính toán và so sánh độ bền của mẫu hàn được thể hiện ở bảng 4. 2 TT Mã mẫu L0 (mm) Lu (mm) A % L (mm) Lc (mm) S0 (mm ) Su (mm) Z % 01 18 60 70 16,7 176 186 118,8 44,2 62,8 02 19 64 75 17,2 196 207 120,7 29,2 75,8 Bảng 4. Bảng tổng hợp quả mẫu thử sau khi kéo Trong đó: L0: Chiều dài cử ban đầu. Lu: Chiều dài cử lúc cuối A: Độ giãn dài tương đối sau khi cắt đứt. A L: Chiều dài tổng của mẫu ban đầu. Lc: Chiều dài mẫu lúc cuối. S0: Tiết diện mặt cắt ngang ban đầu của phần song song. Su: Tiết diện mặt cắt ngang nhỏ nhất sau khi cắt đứt. Z: Độ co thắt tương đối. Kết quả độ bền thử kéo Fm (N) Giới hạn Tk (s) T (s) Độ bền kéo Độ giãn dài TT Mã mẫu (Lực kéo lớn nhất 2 chảy Thời gian kéo ở thời Thời gian (N/mm ) (%) 2 trong thử kéo) (N/mm ) điểm lực kéo lớn nhất kéo 01 18 65,34 407,8 16,7 286 48,9 70 02 19 64,36 401,7 17,2 281,6 61,02 97,4 Bảng 5. Bảng tổng hợp tính chất vật lý sau khi thử kéo 5
6. Độ bền kéo (N/mm2) Độ giãn dài (%) Giới hạn chảy (N/mm2) Theo tiêu chuẩn Theo thực nghiệm Theo tiêu chuẩn Theo thực nghiệm Theo tiêu chuẩn Theo thực nghiệm 373 ÷ 461 401,7÷407,8 22 min 16,7÷17,2 225 min 281,6÷286 Bảng 6. Bảng so sánh tính chất của mẫu hàn so với vật liệu 2.6. Đánh giá chất lượng mối hàn. Qua kết quả kéo hai mẫu hàn cho thấy độ bền kéo của vật liệu sau khi hàn đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn của vật liệu. Giới hạn chảy lớn hơn giới hạn chảy tối thiểu của vật liệu. Với kết quả trên cho thấy chất lượng mối hàn được thực nghiệm từ thiết bị hàn ma sát xoay đạt được yêu cầu đề ra. 3. Kết luận Các thông số của máy hàn đảm bảo theo yêu cầu thiết kế. Tốc độ hàn đạt trong khoảng 1000 đến 1500 (vòng/phút). Hệ thống thủy lực hoạt động êm, lực ép đảm bảo với thiết kế ban đầu là 160 Mpa, độ lệch tâm của mẫu hàn không quá 0,5mm. Hàn được vật liệu thép CT3, có thể thử nghiệm hàn các vật liệu như nhôm AA1050, thép không gỉ AISI 304 Tài liệu tham khảo [1] A. KURT, I. UYGUR, AND U. PAYLASAN, Effect of Friction Welding Parameters on Mechanical and Microstructural Properties of Dissimilar AISI 1010-ASTM B22 Joints, 104-S, MAY 2011, VOL. 90. [2 ] Ahmet CAN, G.J. Baxter, M. Preuss và P.J, Nghiên cứu hàn ma sát quán tính đối với hợp kim nickel ứng dụng trong ngành hàng không (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; [3] Amit Handa punjub, Vikas Chawla Dav, Experimenttal study of mechanical properties of friction welded AISI 1021 steels, Sadhana, Vol. 38, Part 6, December 2013, pp. 1407–1419.© Indian Academy of Sciences. [4] Eder Paduan Alves, Chen Ying AN, Francisco Piorino Neto, Eduardo dos Ferro Santos, Experimental Determination of Temperature during Rotary Friction Welding of Dissimilar Materials, 2012 Science and Engineering Publishing Company. [5] G.P.RAJAMANI, M .S.SHUNMUGA MAN DK.P.RAO, Parameter Optimization and Properties of Friction Welded Quenched and Tempered Steel, 226-S, I JUNE 1992. [6] Gourav sardana, Ajay Lohan, Friction Welding on Lathe Machine with special fixture, International Journal of Innovations in Engineering and Technology (IJIET) Vol. 2 Issue 3 June 2013. [7] Jagroop Singh, Karamdeep Singh, Fabrication of Friction Welding on Centre Lathe: A Case Study, IJIET Vol. 4, IssuE2, May- ocTobER2014. [8] Ruma, Mohd Abdul Wahed, Mohammed Farhan, A study on the effect of External Heating of the Friction Welded Joint, International Journal of Energing of Technology an Advanced Engineering, Volume 3, Issue 5, May 2013. [9] Veerabhadrappa Algur1, Kabadi, Ganechari and Sharanabasappa, Experimental investigation on friction characteristics of modified ZA-27 alloy using taguchi technique, IJMERR, Vol. 3, No. 4, October 2014. 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.