TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM        CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

                KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY                                    Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

                           ________________                                                     ___________________

              Bộ Môn Công Nghệ Chế Tạo  Máy

1. Các số liệu, tài liệu ban đầu

-         Mô hình thiết bị có kích thước xử lý bề rộng tấm kim loại rộng 500mm;

-         Tiến hành các thử nghiệm xử lý các mẫu mẫu kim loại khác nhau;

-         Mô hình tạo ra môi trường Plasma ở nhiệt độ thấp 30-60°C và áp suất bằng áp suất  phòng

2. Nội dung chính của đồ án

-         Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, mục đích và nhiệm vụ đề tài;

-         Cơ sở lý thuyết:  môi trường hình thành Plasma ở nhiệt độ thấp, áp suất thường;

-         Tính toán, thiết kế và tìm ra mô hình tối ưu cho thiết bị; chế tạo mô hình;

-         Kiểm tra và tìm ra các thông số tối ưu của thiết bị - điện áp, tần số;

-         Kết luận và kiến nghị: những ưu và khuyết điểm của mô hình;

3. Bản vẽ

-         Bản vẽ lắp (A0) và tập bản vẽ chi tiết (A3);

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA”

Một trong những bước quan trọng trong quá trình sơn phủ kim loại đó là quá trình xử lý bề mặt kim loại trước khi sơn. Qúa trình xử lý bề mặt kim loại trước khi sơn phổ biến hiện nay đó là quá trình xử lý bằng hóa chất, với phương pháp này có nhiều nhược điểm đó là: thời gian xử lý lâu, tốn nhiều năng lượng, hóa chất rơi vãi ra ngoài, không liên tục. Để khắc phục những nhược điểm trên thì cần có một công nghệ mới nhằm hạn chế các nhược điểm đó. Qua quá trình nghiên cứu cho thấy rằng công nghệ Plasma đang được ứng dụng nhiều trong quá trình sơn phủ, xi mạ,… với nhiều ưu điểm như: không dùng hóa chất, xử lý liên tục, bảo vệ môi trường. Trước những vấn đề trên có thể thấy việc áp dụng công nghệ Plasma vào việc xử lý bề mặt trước khi sơn phủ là rất cần thiết.  Với lý do đó, nhóm đề tài đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo mô hình xử lý bề mặt kim loại trước khí sơn bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp.

Hệ thống mô hình gồm có:  Buồng xử lý Plasma, cụm băng tải, hệ thống ép,…

Nghiên cứu được thực hiện gồm bốn giai đoạn là: Giai đoạn 1 – Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ Plasma, động lực học plasma, nghiên cứu khả năng bắn điện bằng công nghệ Plasma và ứng dụng tia Plasma vào xử lý bề mặt, giai đoạn 2 – Đưa ra nhiều phương án thiết kế chế tạo mô hình xử lý thực nghiệm, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án, và cuối cùng chọn phương án tối ưu dựa trên tiêu chí hiệu suất xử lý, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, giai đoạn 3 – Tiến hành thí nghiệm với các điều kiện khác nhau:  công suất tiêu hao (dòng điện, điện áp, tần số), kích thước hình dáng buồng Plasma, giai đoạn 4 – Phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm và kết luận.

MỤC LỤC

LỜI CAM KẾT.. ii

LỜI CAM KẾT.. iii

LỜI CAM KẾT.. iv

LỜI CẢM ƠN.. v

TÓM TẮT ĐỒ ÁN.. vi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU.. 1

1.1     Tính cấp thiết của đề tài1

1.2     Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài2

1.3     Mục tiêu nghiên cứu của đề tài2

1.4     Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 3

1.4.1     Đối tượng nghiên cứu. 3

1.4.2     Phạm vi nghiên cứu. 3

1.5     Phương pháp nghiên cứu. 3

1.5.1     Cơ sở phương pháp luận. 3

1.5.2     Các nghiên cứu phương pháp cụ thể. 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI4

2.1     Giới thiệu về quy trình chế tạo thép tấm.. 4

2.2     Các nghiên cứu liên quan đến đề tài5

2.2.1     Nghiên cứu về bề mặt kim loại trước xử lý. 5

2.3     Các khái niệm cơ bản về các chất xử lý bề mặt bằng hóa chất9

2.3.1     Tẩy dầu mỡ. 9

2.3.2     Tẩy gỉ10

2.3.3     Định hình. 11

2.3.4     Photphat kẽm.. 12

2.4     Phương pháp xử lý bề mặt13

2.4.1     Phương pháp xử lý bề mặt bằng hóa chất13

2.4.2     Nghiên cứu về Plasma. 18

CHƯƠNG 3:  CƠ SỞ LÝ THUYẾT.. 19

3.1     Giới thiệu về Plasma. 19

3.2     Đặc tính và phân loại của plasma. 20

3.2.1     Các đặc tính của Plasma. 20

3.2.2     Phân loại20

3.3     Các thông số của Plasma. 21

3.4     Năng lượng để phát plasma. 21

3.5     Va chạm trong Plasma. 23

3.6     Các quá trình hóa học trong plasma. 26

3.7     Qúa trình xử lý bề mặt bằng plasma. 27

CHƯƠNG 4 : PHƯƠNG HƯỚNG VÀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ.. 30

4.1     Phương hướng giải quyết30

4.2     Phương án và giải pháp thực hiện. 31

4.2.1     Phương án chọn mô hình vùng xử lí Plasma. 32

4.2.2     Phương án thiết kế con lăn truyền động. 34

4.2.3     Phương án định vị thanh điện cực. 36

4.3     Hệ thống kết cấu mô hình. 38

4.3.1     Mô hình thực nghiệm.. 38

4.3.2     Thuyết minh sơ đồ thực nghiệm.. 39

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ BỀ MẶT KIM LOẠI BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA.. 40

5.1     Tính toán lựa chọn các thông số cơ bản. 40

5.1.1     Các số liệu ban đầu. 40

5.1.2     Cấu tạo và sơ đồ truyền động. 40

5.1.3     Tính toán lựa chọn các thông số cơ bản. 41

5.2     Tính toán bộ truyền động. 43

5.2.1     Lức cản chuyển động của các tấm kim loại nằm trên băng. 43

5.2.2     Tính chọn kiểm tra động cơ điện. 43

5.2.3     Chọn khớp nối44

5.2.4     Tính toán hộp giảm tốc. 45

5.2.5     Tính toán chọn bộ truyền xích. 46

5.2.6     Tính toán kiểm tra trục. 48

5.3     Thiết kế mô hình. 50

5.3.1     Thiết kế con lăn. 50

5.3.2     Thiết kế khung băng tải51

5.3.3     Thiết kế hệ thống nâng đỡ ống thạch anh. 51

5.3.4     Thiết kế hệ thống ép. 52

5.3.5     Thiết kế khung che cho hệ thống. 52

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM... 53

6.1     Chế tạo. 53

6.1.1     Chế tạo con lăn. 53

6.1.2     Chế tạo khung đỡ con lăn. 53

6.1.3     Chế tạo hệ thống nâng đỡ ống thạch anh. 54

6.1.4     Chế tạo khung bảo vệ buồng plasma. 54

6.1.5     Lắp ráp tủ điện. 55

6.2     Chuẩn bị trước khí thử nghiệm.. 55

6.2.1     Chuẩn bị mẫu thử nghiệm.. 55

6.2.2     Chuẩn bị hóa chất thử nghiệm.. 56

6.2.3     Chuẩn bị mô hình thí nghiệm xử lý bằng Plasma. 56

6.2.4     Chuẩn bị hệ thống phun sơn tự động. 57

6.3     Tiến hành thử nghiệm.. 57

6.3.1     Quy trình xử lý bề mặt57

6.3.2     Phương pháp kiểm tra năng lượng hấp thụ của bề mặt58

6.4     Qúa trình sơn phủ và kiểm tra bề mặt sơn. 61

6.4.1     Tiến hành sơn lên bề mặt tấm kim loại vừa xử lý. 61

6.4.2     Chuẩn bị dụng cụ kiểm tra và tiến hành kiểm tra. 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Quy trình xử lý bề mặt bằng hóa chất (TCVN 9276 : 2012). 1

Hình 2: Cấu tạo của tấm tôn mạ kẽm đã được sơn phủ. 5

Hình 3: Quy trình xử lý bề mặt bằng hóa chất (TCVN 9276: 2012). 13

Hình 4: Các cực bắn tia Plasma. 18

Hình 5: Tia Plasma (a- Tự nhiên, b- Nhân tạo) [Nguồn Internet]. 19

Hình 6: Sơ đồ một số mẫu phóng điện trong kỹ thuật plasma. 22

Hình 7: Sơ đồ của quá trình bắn phá của các hạt tích điện. 28

Hình 8: Sơ đồ ví dụ về phản ứng hoạt hóa trên bể mặt kim loại trong plasma có chứa oxy và nito  29

Hình 9: Mô hình dạng ống. 32

Hình 10: Mô hình dạng tấm.. 33

Hình 11: Trục con lăn chuyển động. 34

Hình 12: Chuyển động bằng ống con lăn. 35

Hình 13: Thanh inox. 36

Hình 14: Định vị điện cực bên trong ống. 36

Hình 15: Định vị điện cực theo miếng nhựa. 37

Hình 16: Sơ đồ mô hình xử lý bề mặt kim loại38

Hình 17: Bộ xử lý Plasma. 38

Hình 18: Mô hình xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma. 39

Hình 19: Sơ đồ cơ cấu truyền động. 40

Hình 20: Biểu đồ thể hiện lực, moment tác dụng lên trục. 49

Hình 21: Con lăn của cụm băng tải50

Hình 22: Khung đỡ con lăn của hệ thống băng tải51

Hình 23: Hệ thống nâng, đỡ ống thạch anh. 51

Hình 24: Hệ thống ép cho băng tải52

Hình 25: Khung bảo vệ buồng plasma của băng tải52

Hình 26: Các con lăn của hệ thống. 53

Hình 27: Khung đỡ. 53

Hình 28: Hệ thống nâng đỡ ống thạch anh. 54

Hình 29: Khung bảo vệ. 54

Hình 30: Lắp ráp tủ điện. 55

Hình 31: Hình ảnh các tấm kim loại chưa được xử lý. 55

Hình 32: Hóa chất xử lý bề mặt56

Hình 33: Hệ thống xử lý Plasma thử nghiệm cho tấm kim loại56

Hình 34: Hệ thống phun sơn tự động. 57

Hình 35: Các tấm kim loại đã qua xử lý bằng hóa chất và plasma. 58

Hình 36: Hình ảnh giọt nước tinh khiết khi được nhỏ lên bề mặt và sự thay đổi góc tiếp xúc trên bề mặt thép CT3. 58

Hình 37: Sơ đồ thể hiện sự ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến sự thay đổi của góc tiếp xúc (trong môi trường không khí và N₂). 59

Hình 38: Sơ đồ thể hiện sự ảnh hưởng của số lần xử lý đến sự thay đổi của góc tiếp xúc (trong môi trường không khí và N₂). 59

Hình 39: Sơ đồ thể hiện sự ảnh hưởng của năng lượng xử lý đến sự thay đổi của góc tiếp xúc (trong môi trường không khí và N₂). 60

Hình 40: Các tấm kim loại sau khi xử lý đã được sơn phủ. 61

Hình 41: Dụng cụ kiểm tra. 61

Hình 42: Các thao tác kiểm tra. 62

Hình 43: a) Xử lý bằng hóa chất           b) Xử lý bằng công nghệ Plasma. 63

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Quy trình sản xuất tấm thép. 4

Bảng 2: Kích thước khớp nối44

Bảng 3: Các thông số của hộp giảm tốc. 46

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1        Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những bước quan trọng trong quy trình từ sản xuất tôn, thép tấm cho đến quá trình sơn phủ thành phẩm là quá trình xử lý nhằm làm sạch, tăng năng lượng bề mặt và tăng sự hấp thu lớp sơn đối với bề mặt này. Những bước này được thực hiện theo quy trình sau:

Hình 1: Quy trình xử lý bề mặt bằng hóa chất (TCVN 9276 : 2012)

Theo hình trên ta thấy rằng quá trình xử lý những bề mặt này thường trải qua hai công đoạn chính đó là:

-         Công đoạn 1: Sản phẩm cơ khí ban đầu sẽ được làm sạch lớp dầu mỡ và lớp gỉ trên bề mặt.

-         Công đoạn 2: Những bề mặt này khi được làm sạch xong sẽ được phốt phát hóa làm tăng năng lượng hấp thu bề mặt, giúp làm tăng độ bền bám dính của màng sơn và kéo dài tuổi thọ của màng sơn.

Với quy trình trên ta thấy rằng phương pháp này vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm đó là:

-         Thời gian xử lý lâu (Công đoạn 1: 20 - 40ph, công đoạn 2: 10 - 30ph )

-         Cần nhiều bể hóa chất.

-         Hóa chất rơi vãi ra ngoài gây ô nhiễm môi trường, lãng phí và tốn nhiều năng lượng.

Do đó cần một quy trình mới, công nghệ mới nhằm làm giảm thời gian xử lý, giảm hóa chất xuống và tăng năng lượng bề mặt để tăng hiệu suất sơn phủ lên bề mặt kim loại.

Ngày nay công nghệ Plasma đang được sử dụng rất rộng rãi ở các nước tiên tiến trên thế giới nhằm làm sạch bề mặt, tăng năng lượng hấp thu bề mặt. Do đó trước những vấn đề trên thì việc áp dụng công nghệ này nhằm thay thế hoặc bổ sung cho quy trình xử lý bề mặt kim loại bằng hóa chất là rất cần thiết.

1.2        Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Với phương pháp xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma nếu thực hiện được thì sẽ cho ra nhiều ý nghĩa về mặt kinh tế, giảm được thời gian xử lý, giảm được hóa chất, bảo vệ môi trường. Nếu thành công thì có thể chế tạo một hệ thống xử lý bề mặt được thực hiện liên tục.

1.3        Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xử lý bề mặt kim loại trước khi sơn phủ bằng công nghệ plasma” được thực hiện theo các mục tiêu sau:

-         Nghiên cứu, thí nghiệm nhằm đề xuất ra một quy trình mới;

-         Tìm ra các thông số tối ưu vận hành của mô hình;

-         Tạo ra một mô hình thí nghiệm ở bề rộng là 0.5m.

1.4        Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1       Đối tượng nghiên cứu

-         Bề mặt kim loại cần xử lý: từ các vật liệu inox, tôn...

-         Quy trình xử lý làm tăng năng lượng bề mặt ứng dụng công nghệ Plasma

1.4.2       Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình xử lý bề mặt kim loại bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường với năng suất 20m/phút với bề rộng 0.5m. Sau khi thành công sẽ nghiên cứu để năng công suất làm việc dần đáp ứng nhu cầu của cơ sở doanh nghiệp cũng như các công ty lớn.

1.5        Phương pháp nghiên cứu

1.5.1       Cơ sở phương pháp luận

Phương pháp phân tích tài liệu:  Tham khảo từ giáo trình thiết kế máy và tài liệu về Plasma và được sự hỗ trợ từ Giáo Viên hướng dẫn (Th.S Thái Văn Phước)

Điều tra thực tế: Thực hiện các thí nghiệm về xử lý các bề mặt từ đó rút ra các nhận xét đánh giá. Tham khảo một số máy xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma có cấu trúc tương tự và giá thành của chúng trên thị trường.

1.5.2       Các nghiên cứu phương pháp cụ thể

-         Tham khảo tài liệu về thiết kế máy xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma;

-         Phương pháp tổng hợp:  Từ các nguồn thông tin từ phương pháp trên, tiến hành xử lý, đề xuất phương án, nguyên lý hoạt động, thiết bị phụ trợ, thực hiện thiết kế mô hình.

-         Tiến hành làm thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm để đạt kết quả mong muốn.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

2         

2.1        Giới thiệu về quy trình chế tạo thép tấm

Các loại thép sử dụng trong sản xuất hiện nay thường được phân thành 2 loại chính là thép cán nóng và thép cán nguội. Tuy có tên gọi khác nhau nhưng quy trình sản xuất đều giống nhau, chỉ khác nhau ở khâu xử lý cuối cùng để ra sản phẩm hoàn chỉnh.

Quy trình sản xuất thép tấm gồm bốn giai đoạn:

-         Giai đoạn 1: Xử lý quặng sắt.

-         Giai đoạn 2: Xử lý tạp chất, tạo mác thép.

-         Giai đoạn 3: Đúc tiếp liệu.

-         Giai đoạn 4: Cán theo nhu cầu sử dụng (cán nguội hoặc cán nóng).

Bảng 1: Quy trình sản xuất tấm thép

2.2        Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

2.2.1       Nghiên cứu về bề mặt kim loại trước xử lý

2.2.1.1         Tôn kẽm (tôn mạ kẽm)

Trên bề mặt tấm tôn kẽm được phủ một lớp kim loại bảo vệ nhằm chống gỉ sét, lớp kim loại bảo vệ này nằm bên trong và tách biệt với lớp sơn tạo màu sắc cho sản phẩm. Có hai loại lớp phủ kim loại thường được sử dụng:

-         Mạ kẽm: mạ kẽm 100% với độ dày khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng sản phẩm;

-         Galvalume hoặc Zincalume: Một hợp kim của nhôm và kẽm (55 % nhôm và 45% kẽm).

......................................................

Hình 41: Dụng cụ kiểm tra

Các thao tác kiểm tra:

• Đặt tấm mẫu lên một mặt phẳng cứng sao cho tấm mẫu không bị biến dạng trong khi thử
• Tì lưỡi cắt lên bề mặt mẫu và kẻ các vết cắt lên màng với tốc độ không đổi, tất cả các vết cắt phải ăn sâu tới lớp nền của tấm mẫu.
• Bằng cách tương tự cắt các vết khác vuông góc với các vết cắt cũ và tạo ra một mạng lưới các vết cắt
• Dùng chổi mềm quét nhẹ lên tấm mẫu, dọc theo phía trước vài lần và dọc theo phía sau vài lần
• Dùng băng keo dáng lên vết cắt trên mẫu, sau đó dùng tay kéo lớp băng keo ra. Quan sát sự thay đổi của mạng lưới cắt bằng mắt thường và kính lúp, so sánh sự bong tróc của lớp màng sơn với tiêu chuẩn để dánh giá độ bám dính lớp sơn

Cách kiểm tra:

Hình 42: Các thao tác kiểm tra

Kết quả của quá trình kiểm tra chất lượng sơn trên bề mặt kim loại.

      Hình 43: a) Xử lý bằng hóa chất           b) Xử lý bằng công nghệ Plasma    

Với kết quả của hai quá trình xử lý ở trên, ta nhận thấy quá trình xử lý làm tăng năng lượng bề mặt của phương pháp xử lý bằng công nghệ Plasma hiệu quả hơn so với phương pháp làm tăng năng lượng bề mặt sử dụng hóa chất Photphat kẽm

Qua các kết quả thí nghiệm như trên, có thấy bề mặt kim loại sau khi được xử lí bằng Plasma có năng lượng hấp thụ nước, sơn tốt hơn khi xử lí bằng hóa chất. Vì vậy có thể ứng dụng công nghệ Plasma vào quá trình sơn phủ trên bề mặt kim loại để cải thiện độ bám dính của lớp sơn, giảm thời gian xử lý và chi phí cho quá trình xử lý.

Kết luận và kiến nghị

Từ các kết quả nghiên cứu và chế tạo, ta có thể đưa ra các kết luận sau:

1. Mô hình hệ thống băng tải trên đã đáp ứng được yêu cầu xử lý bề mặt tấm kim loại bề rộng 0,5m trước khi sơn;
2. Mô hình dễ dàng tháo lắp và vận chuyển;
3. Mô hình thiết bị sử dụng nguồn năng lượng điện áp 150v và dòng điện 1A

Với những kết quả trên nhóm đề tài xin được kiến nghị:

1. Phát triển và hoàn thiện đề tài để ứng dụng, phục vụ cho các cơ sở xử lý ngoài thực tế;
2. Nghiên cứu phát triển thêm các cơ cấu để ứng dụng vào việc xử lý bề mặt kim loại trước khi sơn.