Tài liệu Thiết kế hệ thống tôi cao tần tự động

LỜI CẢM ƠN Trải qua năm tháng học tập tại trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM , đã giúp em học tập rất nhiều về kiến thức cũng như kỹ năng trong học tập và làm việc từ các Thầy, cô, bạn bè. Luận văn tốt nghiệp là phần công việc cuối cùng để trở thành một kỹ sư trong tương lai. Hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này một cách tốt nhất không chỉ nhờ vào bản thân em mà còn nhờ vào sự chỉ dẫn , góp ý của các Thầy, Cô và bạn bè đồng thời sự ủng hộ của Gia Đình. Qua đây em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến những người đã giúp đỡ, ủng hộ em trong suốt quá trình học tập và làm việc trong những năm tháng là sinh viên . Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy Vũ Như Phan Thiện đã hướng dẫn cho em trong suốt quá trình làm luận văn. Những lời nhận xét, gợi ý, huớng dẫn tận tình của Thầy đã giúp em nhận ra được những thiếu sót về kinh nghiệm, kiến thức để hoàn thiện luận văn cũng như là bản thân em. Tiếp theo ,em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những Thầy Cô đã giảng dạy em, truyền đạt cho em những kiến thức về kỹ thuật đồng thời những kiến thức về làm người. Đó sẽ là những thứ nền tảng để em phát triển hơn và sẽ hỗ trợ cho theo em trong suốt quá trình tiếp theo. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tha thiết đến Gia Đình những người luôn sát cánh bên em,ủng hộ em rất nhiều về mặt tinh thần. Tp.Hồ Chí Mình , 30 tháng 5 năm 2019 Bùi Đình Khang i TÓM TẮT LUẬN VĂN Dựa trên sự tìm hiểu những hệ thống tôi cao tần hiện tại, em đã tìm hiểu và thiết kế máy tôi cao tần sử dụng cho việc tôi những trục tròn với năng suất và yêu cầu đặt ra. Nội dung đề tài gồm 6 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống tôi cao tần Chương 2: Xây dựng và lựa chọn phương án thiết kế Chương 3: Tính toán và thiết kế cơ khí Chương 4: Thiết kế phần điều khiển điện Chương 5: Hướng dẫn thao tác trên máy và bảo trì : hướng dẫn người sử dụng qua các bước cụ thể và bảo trì máy. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển cho đề tài ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................i TÓM TẮT LUẬN VĂN.......................................................................................................ii MỤC LỤC...........................................................................................................................iii DANH SÁCH HÌNH VẼ......................................................................................................v DANH SÁCH BẢNG........................................................................................................vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................................1 1.1 Tổng quan về quá trình nhiệt luyện.......................................................................1 1.2 Đặt vấn đề..............................................................................................................2 1.3 Phạm vi đề tài........................................................................................................2 1.4 Tìm hiểu về quá trình tôi cao tần...........................................................................3 1.4.1 Chiều dày lớp tôi cứng.............................................................................4 1.4.2 Các phương pháp tôi cao tần....................................................................5 1.4.3 Tổ chức và tính chất của thép sau khi tôi cao tần....................................6 1.4.4 Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp tôi cao tần...........................7 1.5 Một số máy tôi cao tần trên thị trường...................................................................8 1.6 Một số ứng dụng của tôi cao tần..........................................................................10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ..................................12 2.1 Xây dựng phương án thiết kế...............................................................................12 2.1.1 Thông số thiết kế......................................................................................12 2.1.2 Sơ đồ khối................................................................................................12 2.2 Phân tích và chọn phương án thiết kế..................................................................13 2.2.1 Cơ cấu đỡ phôi.........................................................................................13 2.2.2 Cơ cấu đẩy................................................................................................16 2.2.3 Cơ cấu cấp phôi........................................................................................23 2.2.4 Cơ cấu làm nguội.....................................................................................24 2.3 Chọn cơ cấu chính cho máy.................................................................................25 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ........................................................28 3.1 Cụm tôi cao tần....................................................................................................28 3.2 Cụm vít me...........................................................................................................34 3.3 Cụm con lăn.........................................................................................................38 3.4 Cụm làm nguội.....................................................................................................43 3.5 Tính toán chọn ổ lăn............................................................................................48 3.6 Mô phỏng sức bền khung bằng phần mềm solidworks........................................49 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN.....................................................54 4.1 Tìm hiểu tổng quan về PLC.................................................................................54 iii 4.2 Thiết kế phần điều khiển điện..............................................................................58 CHƯƠNG 5: HƯỚNG DẪN LẮP ĐẶT VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ HỆ THỐNG........62 5.1 Yêu cầu về lắp ghép.............................................................................................62 5.2 Hướng dẫn vận hành máy....................................................................................67 5.3 Bảo trì..................................................................................................................67 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.....................................69 6.1 Đánh giá kết quả thiết kế.....................................................................................69 6.2 Hướng phát triển đề tài........................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................70 iv DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Giản đồ Fe-C....................................................................................................1 Hình 1.2 Tôi cao tần trục.................................................................................................3 Hình 1.3 Nguyên lý tôi cao tần........................................................................................4 Hình 1.4 Đồ thị quan hệ ρ và μ.......................................................................................5 Hình 1.5 Tôi cao tần bánh răng.......................................................................................7 Hình 1.6 Máy Magnet Electro.........................................................................................8 Hình 1.7 Lò tôi cao tần IRIS...........................................................................................9 Hình 1.8 Ứng dụng lò tôi cao tần trong luyện nấu kim loại..........................................11 Hình 2.1 Phôi tròn.........................................................................................................12 Hình 2.2 Sơ đồ khối.......................................................................................................13 Hình 2.3 Con lăn............................................................................................................14 Hình 2.4 Phương án con lăn điều chỉnh góc α..............................................................15 Hình 2.5 Phương án con lăn & cụm đẩy.......................................................................15 Hình 2.6 Xích tải...........................................................................................................16 Hình 2.7 Cơ cấu vít me..................................................................................................19 Hình 2.8 Xylanh khí nén...............................................................................................20 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động xylanh khí nén....................................................21 Hình 2.10 Vòng phun nước...........................................................................................23 Hình 2.11 Cụm cấp phôi................................................................................................25 Hình 2.12 Cụm vít me...................................................................................................25 Hình 2.13 Cụm con lăn..................................................................................................26 Hình 2.14 Cụm bơm và tôi cao tần................................................................................26 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý chính của máy....................................................................27 v Hình 3.1 Cụm vít me.....................................................................................................34 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý con lăn.................................................................................38 Hình 3.3 Momen quán tính con lăn...............................................................................39 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm nguội..............................................................43 Hình 3.5 Sơ đồ bơm.......................................................................................................45 Hình 3.6 Mô phỏng bền của khung...............................................................................50 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng ứng suất của khung..........................................................51 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng chuyển vị của khung........................................................52 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng biến dạng của khung........................................................52 Hình 4.1 PLC FX2N-32MT hang Mitsubishi................................................................56 Hình 4.2 PLC S7-200 của hãng Siemens......................................................................56 Hình 4.3 Khởi động từ...................................................................................................57 Hình 4.4 Relay công nghiệp..........................................................................................57 Hình 4.5 Sơ đồ khối điều khiển.....................................................................................59 Hình 4.6 Sơ đồ giải thuật điều khiển.............................................................................60 Hình 5.1 Cụm khung máy.............................................................................................62 Hình 5.2 Lắp ghép cụm con lăn.....................................................................................63 Hình 5.3 Lắp cụm vít me...............................................................................................63 Hình 5.4 Lắp cụm cấp phôi...........................................................................................64 Hình 5.5 Lắp cụm lấy phôi............................................................................................65 Hình 5.6 Lắp cụm tôi cao tần........................................................................................65 Hình 5.7 Lắp cụm làm nguội.........................................................................................66 Hình 5.8 Lắp vỏ máy.....................................................................................................66 vi DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1 Đặc tính của đồng..........................................................................................30 Bảng 3.2 Đặc tính của phôi...........................................................................................30 Bảng 3.3 Kết quả tính toán cụm tôi cao tần..................................................................34 Bảng 3.4 Thông số ren..................................................................................................35 Bảng 3.5 Hệ số thất thoát của 1 số ống nối...................................................................46 vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN 1.1 Tổng quan về quá trình nhiệt luyện Nhiệt luyện là một phương pháp tác động nhiệt độ lên vật chất nhằm làm thay đổi vi cấu trúc chất rắn, đôi khi tác động làm thay đổi thành phần hóa học, đặc tính của vật liệu. Chủ yếu của ứng dụng nhiệt luyện là thuộc về ngành luyện kim. Nhiệt luyện cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ như ngành sản xuất thủy tinh. Quá trình nhiệt luyện bao gồm sự nung nóng hoặc làm nguội với mức độ chênh lệch đáng kể, hoặc xử lý nhiệt theo một thời gian biểu nhằm mục đích làm mềm hay làm cứng vật liệu, cũng như tạo ra sự cứng hay mềm khác nhau trên cùng một vật liệu, ví dụ như tôi bề mặt, vật liệu chỉ cứng ở bề mặt (chống mài mòn) nhưng lại dẻo dai ở phần bên trong (chịu va đập cũng như chịu uốn rất tốt). Hình 1.1 Giản đồ Fe-C Một số quá trình nhiệt luyện: a. Ủ Là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (từ 200 - 10000C), giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng với lò để đạt được tổ chức ổn định. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN b.Thường hóa Là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn Austenit (A3 +(30 – 50 ºC) hay Acm + (30 – 50 ºC)) giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh để Austenit phân hóa thành peclit phân tán thành xocbit với độ cứng tương đối thấp. Ưu điểm của phương pháp này là giải phóng lò ngay sau khi nung. c. Tôi thép Tôi thép là phương pháp nung nóng thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn để làm xuất hiện tổ chức Austenit giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp để austenit chuyển thành mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao. 1.2 Đặt vấn đề - Việt Nam là 1 quốc gia đang phát triển với tài nguyên thiên nhiên khoáng sản với trữ lượng dồi dào là điều kiện thuận lợi để ngành cơ khí phát triển. - Nhưng chúng ta vẫn chưa tận dụng hết nguồn lực quý giá ấy. Ngành công nghiệp cơ khí của chúng ta vẫn còn khá khiêm tốn với 1 quốc gia đã và đang phát triển.Chỉ có chú trọng vào ngành công nghiệp này mới là đầu tàu kéo kinh tế quốc gia đi lên. - Nhiệt luyện là một quá trình hết sức quan trọng trong ngành cơ khí. Và chỉ có làm nhiệt luyện thành công thì mới vực dậy nền cơ khí Việt Nam. Xuất phát từ nhu cầu thực tế và mong muốn đóng góp cho xã hội, em chọn nghiên cứu đề tài máy tôi can tần dùng trong công nghiệp. 1.3. Phạm vi đề tài Đề tài : Thiết kế hệ thống cấp tự động cho máy tôi cao tần  Phạm vi: - Tìm hiều cơ sở lý thuyết về hệ thống cấp phôi cho máy tôi cao tần - Lựa chọn phương án truyền động - Tính toán thiết kế hệ thống cấp phôi - Tính toán chọn máy tôi cao tần - Thiết kế hệ thống điện 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN - Sử dụng phần mểm tính toán,mô phỏng chuyển động,tính toán sức bền máy - Bảo trì, bảo dưỡng máy  Yêu cầu : - Máy vận hành trơn tru đạt được yêu cầu đề ra - Kết cấu thuận lợi cho thao tác điều khiển - Diện tích máy tối ưu không gian làm việc - Dễ bảo trì bảo dưỡng - Dễ cải tiến và tự động hóa 1.4. Tìm hiểu về quá trình tôi cao tần Tôi cao tần cũng là một trong các phương pháp nhiệt luyện làm thay đổi tổ chức, từ đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo nhu cầu sử dụng của con người. Nguyên lý nung nhiệt của tôi cao tần là dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, dùng sức nóng của dòng điện tạo ra trên bề mặt chi tiết, khi chi tiết đặt trong một từ trường biến thiên. Và chiều sâu lớp bề mặt có dòng điện chay qua tỷ lệ thuận với tấn số f. Hình 1.2: Tôi cao tần trục 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN Hình 1.3: Nguyên lý tôi cao tần 1.4.1. Chiều dày lớp tôi cứng. Đối với tôi thể tích thì chiều sâu của lớp tôi cứng là gần như toàn bộ thể tích chi tiết từ ngoài vào trong. Còn đối với tôi cao tần thì tần số của dòng điện quyết định đến chiều dày lớp nung nóng cho nên quyết định đến chiều sâu lớp tôi cứng. Và thông thường với phương pháp tôi cao tần người ta sẽ áp dụng cho các chi tiết chỉ cần bề mặt cứng để chịu mài mòn tốt, và bên trong vẫn đảm bảo deo dai, vậy nên thường chiều sâu lớp tôi cứng bằng 20% diện tích. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN Hình 1.4: Đồ thị quan hệ & Tần số cao nên chiều sâu lớp tôi thay đổi không đáng kể vì: = . ( Trong đó : ∶đệ ấ (Ω. ở ) ∶ độ ừ ℎẩ f: tần số dòng điện (Hz) Năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W W= . . 2. . . . . . 10 Trong đó I : cường độ dòng điện trong cuộn cảm 5 ) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN n: Số vòng cảm ứng d : Đường kính vòng (cm) h : Chiều cao kim loại trong lò (cm) : độ từ thẩm (H/m) :điện trờ suất (Ω.cm) 1.4.2. Các phương pháp tôi cao tần Tùy thuộc vào vật liệu và mục đích sử dụng mà có các phương pháp tôi cao tần như sau:  Nung nóng và làm nguội toàn bề mặt, áp dụng cho các chi tiết, bề mặt tôi nhỏ.  Nung nóng và làm nguội tuần tự, từng phần riêng biệt thường áp dụng cho tôi bánh răng, và trục khuỷu. Nung nóng và làm nguội liên tục liên tiếp và thường áp dụng cho các chi tiết dài. 1.4.3 Tổ chức và tính chất của thép sau khi tôi cao tần  Tổ chức: - Tổ chức nhận được sau tôi là Mactenxit có độ cứng cao - Nhiệt độ chuyển biến pha được nâng cao lên, do vậy độ tôi phải lấy cao hơn tôi thể tích từ 100 - 200°C. - Để đảm bảo hạt nhỏ và mịn thì sau khi tôi phải ram cao.  Cơ tính: - Bề mặt vật liệu có thể đạt độ cứng từ 45 - 62 HRC tùy thuộc và từng vật liệu. - Bên trong lõi vẫn đảm bảo dẻo dai với độ cứng khoảng 15 - 30HRC => Chính vì vậy mà chi tiết sau khi tôi cao cần có độ cứng cao, vừa chịu được ma sát mài mòn, vừa chịu được tải trọng tĩnh hay va đập cao, rất thích hợp với bánh răng, trục truyền,.... Ngoài ra chi tiết tôi cao tần còn có thể chịu được mỏi và chịu uốn xoắn tốt. 1.4.4. Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp tôi cao tần. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN  Ưu điểm: - Năng suất cao do thời gian tăng nhiệt nhanh - Chất lượng tốt, tránh được các hiện tượng oxi hóa bề mặt, hạn chế biến dạng cong vênh. - Chi tiết sau khi tôi cao tần chịu được ma sát, mài mòn, chịu uốn xoắn tốt. - Dễ cơ khí hóa và tự động hóa. - Không gây ô nhiễm môi trường.  Nhược điểm: - Khó áp dụng cho các chi tiết phức tạp, có biên dạng không đồng đều,.... - Không tôi cao tần được một số loại thép có tính hợp kim cao như SKD,.... - -Tôi cao tần thường áp dụng tốt cho thép có hàm lượng cacbon trung bình nhứ C45, hay 40Cr, Hình 1.5: Tôi cao tần bánh răng 1.5. Một số máy tôi cao tần trên thị trường 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN 1.5.1 Hệ thống tôi cao tần dạng ngang Hình 1.6: Máy Magnet Electro Hiệu: Magnet Electro Thông số kỹ thuật: Model Magnet Electro Xuất sứ Đài Loan 3 Pha, 380V AC, 50Hz, 180KVA Điện áp đầu vào Kích thước máy 2250 x 1200 x 1700 (mm) Hệ thống làm mát 1 bộ Đặc tính kỹ thuật: - Công dụng: Gia nhiệt các loại vật liệu chi tiết. - Có khả năng thiết kế theo yêu cầu công suất và tần số sử dụng. 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN - Gá lò có thiết kế theo hình ống vuông, giúp tính toán chính xác nhu cầu vòng nung, nâng hiệu quả nung. - Ray chuyền hình chữ V tiện vệ sinh làm sạch. - Vỏ gá lò được làm từ Bakelite, kiên cố, bền và không chiếm không gian. - Ống kẹp chi tiết có trang bị hệ thống tăng giảm điện, đảm bảo vật liệu chi tiết không bị nóng chảy. - Có trang bị bộ bảo vệ máy chính, dễ bảo trì, dễ sử dụng, giảm thiểu sự cố. - Có trang bị thiết bị cấp phôi, có thể cấp đủ loại vật liệu gia nhiệt. 1.5.2 Lò tôi cao tần dạng đứng Hình 1.7: Lò tôi cao tần IRIS Thông số kỹ thuật 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN Model IRIS-SF-15 Tần số 28-40 Điện áp (V/Hz) 220/50 Công suất (KW) 15 Dòng lớn nhất (A) 35 Hiệu suất 95% Chu kỳ nhiệm vụ 100% 1.6. Ứng dụng tôi cao tần - Ứng dụng cho mọi vật liệu như: Linh kiện trong lĩnh vực chế tạo ôtô, dụng cụ kim loại, bánh răng, ống thép lớn, trục chuyển động, dao cho máy tiện, máy phay, khoan,. - Lĩnh vực hoạt động của lò: Nung chảy kim loại, nung nóng kim loại trong lĩnh vực gia công, tôi toàn bộ chi tiết hoặc từng phần của chi tiết. - Cho phép thay đổi công suất nung, thời gian nung chính xác trong việc gia công kim loại, thời gian nung nhanh - Ứng dụng trong lĩnh vực luyện, nấy chảy quặng như: Quặng vàng, bạc, đồng, nhôm, thép và những kim loại quý khác. - Làm khô nhanh bề mặt vật liệu. - Ứng dụng trong lĩnh vực tôi kim loại như: Đầu mũi khoan lớn, dao, những dụng cụ gia công cơ khí,... - Lò nung cao tần là một trong những thiết bị không thể thiếu trong những xưởng gia công kim loại, nó cho phép người sử dụng khai thác và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cần thiết. - Những lĩnh vực khác như: Làm nóng chảy thuỷ tinh, pha lê, tôi những chi tiết máy móc, hàn chất liệu nhựa với thép,... 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÔI CAO TẦN Hình 1.8: Ứng dụng lò cao tần trong luyện nấu kim loại 11 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1. Xây dựng phương án thiết kế 2.1.1. Thông số thiết kế Phôi : thép c45 , đường kính Ø15 – Ø 30 , chiều dài phôi 100 ÷ 150 mm Số ca làm việc 2 ca/ngày Hình 2.1 : Phôi tròn - Phôi được tôi đảm bảo độ cứng yêu cầu 2.1.2. Sơ đồ khối 12 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Hình 2.2: Sơ đồ khối 2.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế Dựa theo yêu cầu của máy tôi cao tần và theo phân tích trên sơ đồ khối ta thấy bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống là bộ phận truyền chuyển động cho phôi đảm bảo phôi vừa chuyển động tính tiến vừa xoay đều khi vào vòng tôi cao tần . Nguyên lý hoạt động : Phôi vửa chuyển động tịnh tiến vừa xoay khi vào vòng tôi cao tần Dựa vào nguyên tắc hoạt động ta đề ra yêu cầu thiết kế như sau - Có thể thay đổi kích thước phôi tùy theo mục đích - Có thể thay đổi vận tốc tịnh tiến của phôi - Cụm có thể dễ dàng lắp ráp và dễ dàng bảo trì sửa chữa 2.2.1. Cơ cấu đỡ phôi Vì phôi hình tròn và yêu cầu xoay được nên chọn cơ cấu là con lăn hoặc bề mặt tiếp xúc là hình côn Phương án 1: Con lăn côn + cơ cấu đẩy Nguyên lý hoạt động : - Con lăn côn đặt nhiều thành hàng dọc nghiêng góc α 13