BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY RỬA SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP S K C 0 9 MÃ SỐ: B2009-22-47 TĐ S KC 0 3 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp HỒ CHÍ MINH -- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY RỬA SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP (Mã số: B2009-22-47 TĐ) Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Ngọc Phương T.P Hồ Chí Minh 2.2011 MỤC LỤC Danh sách người tham gia thực i Danh mục hình vẽ v Danh mục bảng biểu ix Danh mục từ viết tắt x Thông tin kết nghiên cứu xi PHẦN I MỞ ĐẦU I.1 Tính cấp thiết đề tài I.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài I.3 Cơ sở lý thuyết làm dùng sóng siêu âm I.3.1 Sóng siêu âm I.3.1.1 Định nghĩa sóng siêu âm I.3.1.2 Đặc điểm sóng siêu âm I.3.1.3 Các đại lượng đặc trưng I.3.2 Lý thuyết làm dùng sóng siêu âm I.3.2.1 Giới thiệu I.3.2.2 Nguyên lý rửa dùng sóng siêu âm I.3.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất rửa I.3.2 Các thành phần máy rửa siêu âm 10 I.4 Tình hình nghiên cứu giới nước 10 I.5 Phương pháp nghiên cứu 17 I.6 Mục tiêu đề tài 18 I.7 Phạm vi đề tài 18 PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU II.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống rửa 18 19 II.1.1 Phương án 19 II.1.2 Phương án 21 II.1.3 Phương án 22 II.1.4 So sánh lựa chọn phương án 23 II.2 Thiết kế, tính toán phần khí 24 Trang ii II.2.1 Tính toán thiết kế đỡ đường ray 27 II.2.2 Tính toán thiết kế đỡ thùng 31 II.2.3 Tính toán thiết kế giằng 35 II.2.4 Tính toán thiết kế chân đỡ 38 II.2.5 Tính toán thiết kế thùng rửa 42 II.2.6 Tính toán mối ghép bulông 46 II.2.7 Tính toán thiết kế hệ thống rung 46 II.2.7.1 Tính toán thông số đầu vào truyền động 47 II.2.7.2 Tính toán hệ dẫn động xích 52 II.2.8 Tính toán thiết kế trục 62 II.2.9 Tính toán chọn ổ lăn 64 II.2.10 Tính toán thiết kế robot 66 II.2.10.1 Nguyên lý hoạt động 66 II.2.10.2 Thiết kế phương trình động học cho robot 66 II.2.10.3 Tính toán thiết kế truyền xích cho trục truyền động 71 II.2.10.4 Tính toán thiết kế truyền xích cho tay gắp 78 II.2.11 Tính toán bố trí chấn tử 80 II.2.11.1 Sắp xếp vị trí biến tử siêu âm 80 II.2.11.2 Cơ sở giao thoa sóng 80 II.2.11.3 Yêu cầu quy trình công nghệ 83 II.2.11.4 Các kết thực nghiệm thăm dò khoảng cách tác động 83 II.3 Chế tạo lắp ráp phần khí 86 II.3.1 Chế tạo 86 II.3.2 Lắp ráp phần 88 II.4 Thiết kế phần điều khiển 92 II.4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 92 II.4.2.Thiết kế phát sóng 93 II.4.3 Thiết kế mạch điều khiển 98 II.5 Chế tạo lắp ráp phần điều khiển 100 II.6 Kết thí nghiệm rửa mẫu chi tiết 101 Trang iii PHẦN III KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 104 III Kết 104 III.2 Kiến nghị 105 Tài liệu tham khảo 106 PHỤ LỤC: Hướng dẫn sử dụng hệ thống rửa sóng siêu âm Bản vẽ kỹ thuật hệ thống chi tiết Các báo Minh chứng đào tạo Đánh giá Doanh nghiệp Bản thuyết minh đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ phê duyệt Trang iv 108 PHẦN I MỞ ĐẦU I.1 Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, ngành sản xuất công nghiệp, lĩnh vực y tế, dân dụng thiết bị làm có vai trò quan trọng Các phương pháp làm cổ điển sử dụng tay kết hợp loại dung dịch không đảm bảo độ chi tiết cần làm đặc biệt chi tiết có kết cấu phức tạp, có độ bám dính tạp chất cao Làm phương pháp điện phân ứng dụng nhiều lĩnh vực xi mạ, đặc điểm phương pháp đơn giản dể sử dụng lượng tiêu hao lớn, bề mặt chi tiết không nguyên vẹn thời gian rửa cao (do ăn mòn trình điện phân) Nguồn điện Bề mặt chi tiết bị bám bẩn oxy hóa Dung dịch rửa Trước rửa Sau rửa Kim loai gốc Hình I.1 Sự ăn mòn phương pháp rửa điện phân Làm phương pháp phun nước áp lực lớn sử dụng nhiều công nghiệp phương pháp dể sử dụng làm chi tiết có bề mặt phước tạp Trang Kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm đời nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ làm áp dụng rộng rãi thiết bị tẩy rửa với hiệu cao, tốc độ nhanh mà phương pháp khác không đáp ứng Hình I.2 Các chi tiết cần rửa có hình dạng phức tạp Thống kê cho thấy phương pháp tẩy rửa thông thường độ bẩn bề mặt chi tiết 70% Rửa phương pháp rung độ bẩn bề mặt chi tiết 50%.Khi rửa chi tiết tay độ bẩn bề mặt chi tiết 20% Trong phương pháp tẩy rửa sóng siêu âm độ bẩn lại 5% Hình I.3 Ví dụ rửa đai ốc siêu âm Hình I.4 Hình ảnh trước sau rửa chi tiết Trang Những ưu điểm bật kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm sở để nhóm nghiên cứu công nghệ rửa dùng sóng siêu âm phục vụ công nghiệp, ứng dụng tẩy dầu mỡ, bụi… , hy vọng tương lai nhóm cho sản phục vụ tẩy rửa chi tiết có bề mặt phức tạp I.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Với xu hướng sử dụng công nghệ không gây ô nhiễm môi trường, không gây tác động độc hại đến sức khoẻ người nay, thiết bị tẩy rửa sử dụng sóng siêu âm lựa chọn hàng đầu lĩnh vực làm ngành công nghiệp Máy rửa siêu âm thay cho phương pháp tẩy rửa truyền thống sử dụng dung dịch tẩy rửa công nghiệp có thành phần hoá học gây độc hại cho môi trường cho sức khoẻ người Việc sử dụng lượng sóng siêu âm mang lại hiệu tẩy rửa vượt trội so với dung dịch tẩy rửa trước đặc biệt vật thể có kích thước nhỏ hình dạng phức tạp Khoa học sóng siêu âm không ứng dụng lĩnh vực tẩy rửa mà nhiều lĩnh vực khác như: kiểm tra chất lượng sản phẩm, hệ thống phát di động, đo khoảng cách, đo lưu lượng Vì đề tài bước khởi đầu để nhóm nghiên cứu tiếp cận với ngành khoa học đầy tiềm phát triển có khả ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực đời sống tích luỹ kiến thức, kinh nghiệm bổ ích Ưu việc sử dụng công nghệ làm sóng siêu âm:  Tính kinh tế: - Sử dụng công nghệ làm sóng siêu âm thường xuyên tiết kiệm tiền - Vật liệu làm kéo dài lâu ảnh hưởng sóng siêu âm, làm giảm phụ tùng thay - Quá trình làm nhanh giảm thời gian nghỉ sản xuất  Thân thiện với môi trường: Trang - Phương thức làm biến hóa sinh học sử dụng thay dung chất độc hại sinh thái - Các lọc tách dầu làm giảm lượng tiêu thụ hóa chất nước thải  Hiệu quả: - Độ cao - Vật liệu sau làm sóng siêu âm không cần lau chùi lại - Không phá hủy vật liệu bề mặt chi tiết - Có thể làm tất sản phẩm hình dáng  Dễ sử dụng I Cơ sở lý thuyết làm dùng sóng siêu âm I.3.1 Sóng siêu âm I.3.1.1 Định nghĩa sóng siêu âm Sóng âm dao động hạt chất rắn, chất lỏng chất khí; chất đàn hồi Nói cách khác sóng âm sóng đàn hồi lan truyền môi trường đàn hồi có nghĩa vật thể đàn hồi lan truyền sóng âm Tuỳ theo dải tần người ta phân chia sóng đàn hồi thành vùng sau: - Vùng hạ âm có tần số từ 1Hz đến 20Hz - Vùng âm tần có tần số từ 20hz đến 20kHz - Vùng siêu âm có tần số từ 20kHz đến 100MHz - Vùng cực siêu âm có tần số > 100MHz Mặc dù có chất sóng đàn hồi có tần số khác nên có ứng dụng khác I.3.1.2 Đặc điểm sóng siêu âm Trang Sóng siêu âm mang lượng lớn sóng âm (chẳng hạn với biên độ dao động , lượng sóng tần số 1MHz lớn gấp 106 lần lượng sóng tần số 1KHz) Trong môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên có tính định hướng cao Lợi dụng tính chất người ta chế tạo hệ hội tụ để tập trung lượng lớn diện tích hẹp Trong dải sóng siêu âm với điều kiện định xuất hiện tượng xâm thực xảy chất lỏng Tính chất ứng dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng I.3.1.3 Các đại lượng đặc trưng - Chu kỳ T khoảng thời gian thực nén giãn, tính giây - Tần số f (Hz): số chu giây - Vận tốc truyền âm (m/s) quãng đường mà sóng truyền sau đơn vị thời gian - Độ dài bước sóng λ(m) quãng đường mà sóng truyền sau khoảng thời gian chu kỳ: λ = vT=v/f - Sóng siêu âm ứng dụng tảy rửa công nghiệp có tần số từ 20 KHz đến 50 MHz I.3.2 Lý thuyết làm dùng sóng siêu âm I.3.2.1 Giới thiệu Làm sóng siêu âm việc sử dụng tần số sóng âm cao (trên phạm vi thính giác người thường từ 20 – 40 khz) để loại bỏ chất bẩn bám dính vào chi tiết Sóng siêu âm tạo áp lực đủ mạnh để loại bỏ chất bẩn có độ bám dính cao đủ nhẹ để không làm tổn hại đến chi tiết cần làm Các chất bẩn dầu mỡ, bụi bẩn… Vật liệu làm bao gồm kim loại, thủy tinh, gốm sứ, nhựa… Việc sử dụng sóng siêu âm để tẩy rửa ngày ứng dụng rộng rãi đem lại hiệu kinh tế cao so với phương pháp tẩy rửa truyền thống Sử dụng sóng siêu âm để tẩy rửa rửa chi tiết phức tạp, chi tiết nhỏ mà phương Trang pháp truyền thống rửa khó khăn sóng siêu âm ngày ứng dụng rộng rãi nghành công nghiệp tẩy rửa, công nghiệp mạ, công nghiệp ô tô, công nghiệp máy bay… I.3.2.2 Nguyên lý rửa dùng sóng siêu âm Là tác dụng sóng siêu âm, dung dịch rửa lúc bị ép lại đặc hơn, lúc bị dãn loãng Do dung dịch rửa không chịu lực kéo nên bị kéo loãng tạo thành chỗ trống, sinh nhiều bọt không khí nhỏ Trong trình chuyển động hỗn loạn bọt khí kết hợp tạo nên bọt khí có kích thước lớn Khi đạt đến giới hạn chênh lệch áp suất đủ lớn bọt khí bị vỡ tung thành nhiều hạt nhỏ tạo nên sức va đập mạnh áp suất lớn gần 1000 bar, kèm theo nhiệt độ chất lỏng tăng dần Những bọt khí nhỏ nhanh chóng vỡ tan Quá trình vỡ bọt sinh luồng sóng xung kích nhỏ mạnh, gọi “Hiện tượng tạo chân không” Hình I.5 Quá trình hình thành phá vỡ bọt khí Trang Do tần số sóng siêu âm cao, bọt không khí nhỏ luân phiên xuất hiện, vô nhanh chóng Sóng xung kích mà chúng tạo giống muôn nghìn “chổi nhỏ” vô hình nhanh mạnh lan tới, chải quét xó xỉnh chi tiết Nếu chi tiết cần tẩy rửa đặt dung dịch tẩy rửa thích hợp với kích thích sóng siêu âm tác dụng tượng xâm thực sóng nêu chất bẩn bám bề mặt chi tiết tách kết tủa lại Chất bẩn Dung dịch Tẩy rửa Chi tiết cần làm Các bọt khí hóa chất chuyển động hổn độn va chạm vào chất bẩn làm chất bẩn tách khỏi chi tiết Chất bẩn tách khỏi chi tiết cần làm kết tủa lại Hình I.6 Hiện tượng vật lý trình tẩy rửa sóng siêu âm I.3.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất rửa a Sóng siêu âm Tùy theo đối tượng rửa mà tần số sóng chọn cho phù hợp khoảng từ 20Khz đến 40Khz b Nhiệt độ Cường độ tẩy rửa phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch Khi nhiệt độ dung dịch cao áp suất khí bọt khí tăng làm giảm lực va đập trình xâm thực Trang Sóng siêu âm Nhiệt độ Thời gian rửa Hóa chất Hình I.7 Các yếu tố trình rửa sóng siêu âm Nếu nhiệt độ dung dịch thấp bề mặt chi tiết xuất ngưng tụ chất lỏng có khả ăn mòn chi tiết Thông thường nhiệt độ dung dịch ấn định khoảng từ 30 -50 0C, nói chung nhiệt độ dung dịch điều chỉnh cho phù hợp với loại chi tiết c Hóa chất Hóa chất đóng vai trò quan trọng , liên quan đến chất lượng thời gian việc rửa chi tiết d Thời gian loại chất bẩn, tùy theo kích thước chi tiết, tùy theo lượng bẩn bám chi tiết mà Trang có thời gian rửa phù hợp Bảng I.1 Một số dung dịch tẩy rửa thông dụng Dung dịch rửa Thành phần Nhiệt độ (gam/lit)(%) Na3PO4 30g/l Kim loại cần làm Ứng dụng Thép Rửa chi tiết C 500C bẩn – 25 g/l Thủy tinh lỏng 20 g/l Na3PO4 30 g/l Thủy tinh lỏng 20 g/l 500C Thép Rửa chi tiết bẩn 500C Thép Rửa chi tiết bẩn 500C Na3PO4 g/l Na2CO3 g/l HNO3 40% H2SO4 10% H2 O 50% H2SO4 4% HNO3 9% HCl 13% H2 O 74% NaOH 100 g/l 40 – NaF 50 g/l 600C Đồng, Nhôm, Kẽm Rửa chi tiết bẩn 500C Thép rỉ Làm vẩy, rỉ 500C Hợp kim thép, Crôm, Rửa chi tiết Niken, Modiplen bẩn Nhôm Làm bóng bề mặt Trang nhôm I.3.3 Các thành phần máy rửa dùng sóng siêu âm Bồn dung môi gia nhiệt Chấn tử dao động Máy phát cao tần Hình I.8 Các thành phần máy rửa dùng sóng siêu âm Bồn dựng dung môi: bồn dựng dung môi phải cứng vững, vật liệu làm bồn phải không bị hóa chất ăn mòn, chịu nhiệt, vật liệu Inox thường sử dụng để làm bồn rửa, hiệu suất truyền sóng tốt có khả chịu nhiệt, chống ăn mòn cao Chấn tử dao động: Thường làm từ kim loại có tính từ giảo (dưới tác dụng điện trường từ trường chúng thay đổi kích thước), vật liệu làm chấn tử dao động sắt, nikel, cobal hợp kim chúng Máy phát cao tần: Có nhiệm vụ tạo tín hiệu doa động có tần số nằng dãi tần sóng siêu âm, máy phát cao tần thường sử dụng linh kiện điện tử chuyên dụng I Tình hình nghiên cứu giới nước Hiện nay, có nhiều hãng giới chế tạo thiết bị rửa dùng sóng siêu âm phục vụ cho công nghiệp dân dụng… ví dụ: a Dây chuyền rửa sóng siêu âm hãng OMEGASONIC Dây chuyền vật liệu làm dùng Inox 304 có nhiều bể chia thành công đoạn - Cộng đoạn 1: Cấp phôi dùng băng chuyền Trang 10 [...]... truyền thống rửa rất khó khăn chính vì vậy sóng siêu âm ngày càng được ứng dụng rộng rãi như trong nghành công nghiệp tẩy rửa, công nghiệp mạ, công nghiệp ô tô, công nghiệp máy bay… I.3.2.2 Nguyên lý rửa dùng sóng siêu âm Là do dưới tác dụng của sóng siêu âm, dung dịch rửa lúc bị ép lại đặc hơn, lúc bị dãn ra loãng hơn Do dung dịch rửa không chịu nổi lực kéo nên khi bị kéo ra loãng hơn đã tạo thành những... trình tẩy rửa bằng sóng siêu âm I.3.2.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất rửa a Sóng siêu âm Tùy theo đối tượng rửa mà tần số của sóng được chọn cho phù hợp trong khoảng từ 20Khz đến 40Khz b Nhiệt độ Cường độ tẩy rửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch Khi nhiệt độ dung dịch quá cao thì áp suất khí trong bọt khí tăng làm giảm lực va đập trong quá trình xâm thực Trang 7 Sóng siêu âm Nhiệt độ... nghiên cứu trên thế giới và trong nước Hiện nay, có rất nhiều hãng trên thế giới chế tạo ra thiết bị rửa dùng sóng siêu âm phục vụ cho công nghiệp và dân dụng ví dụ: a Dây chuyền rửa bằng sóng siêu âm của hãng OMEGASONIC Dây chuyền này vật liệu làm dùng Inox 304 có nhiều bể chia ra thành 6 công đoạn - Cộng đoạn 1: Cấp phôi dùng băng chuyền Trang 10 ... tính từ giảo (dưới tác dụng của điện trường hoặc từ trường chúng thay đổi kích thước), các vật liệu làm chấn tử dao động có thể là sắt, nikel, cobal và các hợp kim của chúng Máy phát cao tần: Có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu doa động có tần số nằng trong dãi tần của sóng siêu âm, máy phát cao tần thường sử dụng các linh kiện điện tử chuyên dụng I 4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước Hiện nay,... của nhôm I.3.3 Các thành phần trong máy rửa dùng sóng siêu âm Bồn dung môi gia nhiệt Chấn tử dao động Máy phát cao tần Hình I.8 Các thành phần trong máy rửa dùng sóng siêu âm Bồn dựng dung môi: bồn dựng dung môi phải cứng vững, vật liệu làm bồn phải không bị hóa chất ăn mòn, chịu nhiệt, vật liệu Inox thường được sử dụng để làm bồn rửa, vì hiệu suất truyền sóng tốt có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn... cùng với sự kích thích sóng siêu âm dưới sự tác dụng của hiện tượng xâm thực sóng như đã nêu trên thì các chất bẩn bám trên bề mặt chi tiết sẽ được tách ra và kết tủa lại Chất bẩn Dung dịch Tẩy rửa Chi tiết cần làm sạch Các bọt khí của hóa chất chuyển động hổn độn va chạm vào chất bẩn làm chất bẩn được tách ra khỏi chi tiết Chất bẩn được tách ra khỏi chi tiết cần được làm sạch và kết tủa lại Hình I.6... “Hiện tượng tạo chân không” Hình I.5 Quá trình hình thành và phá vỡ của bọt khí Trang 6 Do tần số của sóng siêu âm rất cao, những bọt không khí nhỏ luân phiên xuất hiện, mất đi vô cùng nhanh chóng Sóng xung kích mà chúng tạo ra giống như muôn nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình rất nhanh và rất mạnh lan tới, chải quét mọi xó xỉnh của chi tiết Nếu chi tiết cần tẩy rửa được đặt trong dung dịch tẩy rửa thích... nhỏ Trong quá trình chuyển động hỗn loạn các bọt khí kết hợp tạo nên những bọt khí có kích thước lớn hơn Khi đạt đến một giới hạn nào đó sự chênh lệch áp suất đủ lớn bọt khí sẽ bị vỡ tung ra thành nhiều hạt nhỏ tạo nên sức va đập mạnh và áp suất lớn gần 1000 bar, kèm theo nhiệt độ trong chất lỏng tăng dần Những bọt khí nhỏ này trong nhanh chóng sẽ vỡ tan ra Quá trình vỡ bọt sinh ra những luồng sóng. .. rất quan trọng , liên quan đến chất lượng và thời gian của việc rửa chi tiết d Thời gian mỗi loại chất bẩn, tùy theo kích thước chi tiết, tùy theo lượng bẩn bám trên chi tiết mà Trang 8 chúng ta có thời gian rửa phù hợp Bảng I.1 Một số dung dịch tẩy rửa thông dụng Dung dịch rửa Thành phần Nhiệt độ 0 (gam/lit)(%) Na3PO4 30g/l Kim loại cần làm sạch Ứng dụng Thép Rửa các chi tiết C 500C rất bẩn 5 – 25 g/l... Thép Rửa các chi tiết rất bẩn 500C Thép Rửa các chi tiết rất bẩn 500C Na3PO4 5 g/l Na2CO3 5 g/l HNO3 40% H2SO4 10% H2 O 50% H2SO4 4% HNO3 9% HCl 13% H2 O 74% NaOH 100 g/l 40 – NaF 50 g/l 600C Đồng, Nhôm, Kẽm Rửa các chi tiết rất bẩn 500C Thép rỉ Làm sạch vẩy, rỉ 500C Hợp kim thép, Crôm, Rửa các chi tiết Niken, Modiplen rất bẩn Nhôm Làm bóng bề mặt Trang 9 của nhôm I.3.3 Các thành phần trong máy rửa dùng