Tiểu luận cơ khí " phương pháp gia công lase " potx

Phương pháp này ra đời nhằm thay thế giải quyết cho các phương pháp gia công truyền thống như:tiện, phay, bào, hàn,chuốt…vì gia công truyền thống không gia công được hoặc gia công không

Mục lục

Trang

1 giới thiệu chủ đề nghiên cứu:

1.1 giới thiệu lĩnh vực nghiên cứu 3

1.2 giới thiệu vấn đề nghiên cứu và mục đích nghiên cứu 4

1.3 giới thiệu lịch sử hình thành và nguồn phát laser trong các máy cắt 6

2 tổng quan về nghiên cứu: 2.1 tổng quan các tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu 8

2.2 Phần nghiên cứu của các tác giả trước 2.2.1 các nhân tố ảnh hưởng tới kết quả bề mặt gia công của phôi 9

2.2.2 Nghiên cứu độ nhám bền mặt khi cắt thép các bon thấp 13

2.2.3 chất lượng bề mặt sau khi cắt laser 15

2.3 Kết luận các phần nghiên cứu trên 18

3 đề xuất hướng nghiên cứu sử dụng nguồn laser cắt thép các bon thấp: 3.1 mục tiêu nghiên cứu 20

3.2 Phương pháp nghiên cứu 20

3.3 Các công cụ cần thiết cho nghiên cứu 20

3.4 Dự kiến kết quả đạt được 22

3.5 hướng phát triển 23

4 Kết luận: 24

-Các mục tiêu đã đạt được của các nghiên cứu trước - Các tồn tại của các nghiên cứu trước 5 tài liệu tham khảo 24

Lời nói đầu

Phương pháp gia công(cắt) kim loại bằng tia laser là một trong các phương pháp gia công đặc biệt nó là một môn khoa học trong ngành kỹ thuật cơ khí

Phương pháp này ra đời nhằm thay thế giải quyết cho các phương pháp gia công truyền thống như:tiện, phay, bào, hàn,chuốt…vì gia công truyền thống không gia công được hoặc gia công không đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật đối với vật liệu mới

vì vật liệu mới hiện nay có đặc điểm:độ cứ,độ bền cao,khả năng chụi mài mòn tốt chụi đựng được trong các môi trương hóa chất…

Phương pháp gia công đặc biệt có khẳ năng gia công được tất cả các loại vật liệu mới với bất kỳ cơ tính nào,gia công được hầu hết các chi tiết phức tạp,tiết kiệm được nguyên vật liệu, đạt độ chính xác cao và hoàn toàn cơ khí hóa tự động hóaTrong bài tiểu luận cơ khí này, giới thiệu về phương pháp gia công lase khả năng công nghệ và các đặc điểm kỹ thuật, các nhân tố ảnh hưởng, các nghiên cứu của các tác giả trước về tác động tới phôi khi gia công với nguồn năng lượng này đồng thời đưa ra hướng hạn chết một số các nhược điểm thông qua thực nghiệm như có thế cắt ở chế độ nào phù hợp nhất với vật liệu nào tốt nhất

Bài tiểu luận chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu xót mong các thầy cô giáo và các bạn

bổ xung và sửa chữa cho bài dần được hoàn thiện hơn Chúng em xin cảm ơn!

1.Giới thiệu đề tài nghiên cứu

- Gia công cơ khí là việc sử dụng những công cụ máy móc, thiết bị, phôi đề tạo

ra ra các chi tiết phù hợp với yêu cầu có nhiều các phương pháp gia công khác nhau: hàn ,cắt, dập, đúc … Trong đó gia công cắt gọt được phổ biến hơn cả chiếmkhoảng 50-60% khối lượng lao động trong máy cơ khí và cũng chiến 50 % giá thành sản phẩm Hiện nay có hai phương pháp đang được sử dụng để cắt gọt: phương pháp truyền thống và phương pháp gia công tiến tiến

- Các phương pháp gia công truyền thống như: Tiện , phay , khoan và mài; các phương pháp này sử dụng các dụng cụ cắt chủ yếu là dao, đá mài tiếp xúc trực tiếp với phôi và lấy đi các phoi Phương pháp này đang được áp dụng một cách rộng rãi

và có hiệu quả tuy nhiên có một số hạn chế, ví dụ: gia công một số vật liệu nào đó ( kim cương, kính, hợp kim cứng…) cực kỳ khó khăn hoặc không thực hiện được, một số các sản phẩm đặc trưng ngành không gian và công nghệ cao Từ đó các kỹ

sư đã nghiên cứu ra các phương pháp gia công khác hoàn toàn với gia công truyền thống đó là phương pháp gia công tiên tiến: Sử dụng dạng năng lượng khác: tia lửađiện, laze, tia nước, tia electron, điện hóa mài mòn điện hóa, sóng siêu âm, tia plasmar…

Gia công phương pháp tiên tiến sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau để biến đổi phôi thay vì sử dụng các dụng cụ cắt thông dụng do dó có nhiều đặc điểm

ưu việt hơn so với các phương pháp truyền thống Phương pháp gia công khi sử dụng tia laze là một trong số những phương pháp tiên tiến đó

-Nguyên do chọn lựa đề tài: do một số các ưu điểm khi cắt bằng nguồn laser so vớicác phương pháp khác:

+ Đây là phương pháp tiên tiến nên có ưu việt hơn các phương pháp tiếp xúc thôngthường: Không dùng dụng cụ cắt, không dùng lực cắt, chế độ gia công êm hơn cácgia công khác

+ Sự chớnh xỏc và khả năng gia cụng cỏc lỗ nhỏ và đường cắt chuẩn xỏc với biến dạng xung quanh vựng gia cụng ớt.

+Cú khả năng làm việc trong mụi trường khụng khớ, khớ trở, chõn,khụng,hoặc ngay

cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang, khụng cú vấn đề tớch điện trong mụi trường

+Cắt được những vị trớ phức tạp,ở vị trớ khú tiếp cận, cú khả năng tạo ra cỏc rónh rất hẹp

+Cú khẳ năng tự động húa cao.gia cụng đạt độ chớnh xỏc cao, bề mặt phẳng và cỏc

bề mặt phức tạp, thớch ứng với hệ thống CAD/CAM

=> những ưu điểm này ma phương phỏp gia cụng này đó được quan tõm phỏt triển chẳng những trong ngành cụng nghiệp chế tạo mà cũn trong ngành truyền thống,y học, đo lường …[1]

 Vấn đề nghiờn cứu

Phương phỏp gia cụng bằng tia laze sử dụng nguồn năng lượng laze để gia cụng Tựy theo mức năng lượng và đặc tớnh tia laze mà được ứng dụng khỏc nhau vd như:Tỏc dụng về quang để định vị, tỏc dụng về gia cụng,tỏc dụng trong y tế, sản

+ Phương pháp đột biến về nhiệt: Đây là phương pháp lợi dụng sự tập trung nhiệt

đột ngột tại một điểm rất nhỏ trên bề mặt vật cắt và liên tục phát triẻn với tốc độ cao (cở m/s), gây nờn gẫy đột biến và tạo nên rãnh cắt Phương pháp này thường dùng khi cắt vật liệu dòn

+Phương pháp cắt bằng khoan dùng tia laser khoan các lổ sâu hoặc không sâu, sau

đó bẻ gẫy bằng cơ học Phương pháp này thường dùng khi cắt vật liệu dòn

+Phương pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi: Làm cho vật liệu nóng chảy, cháy sau

đó thổi các sản phẩm cháy đi ,tạo nên rãnh cắt Trong quá trình nóng chảy đồng thời xảy ra phản ứng cháy cung cấp nhiệt bổ sung nên năng lương tương đương tăng lên rất nhiều (10 lần) so với khoan cắt

+Phương pháp nóng chảy và thổi: Nung nóng chảy vùng bị cắt và dùng khí áp suấtcao thổi chung ra khỏi vùng cắt và tạo nên rãnh cắt

+Phương pháp bay hơi: Sử dụng nguồn nhiệt cao, tập trung làm cho vật liệu bay hơi tạo nên rãnh cắt

+Phương pháp cắt nguội : Dùng laser có dãi tần số vùng cực tím có năng lượng siêu cao để cắt Phương pháp này dùng để cắt vật liệu platic, vi phẩu thuật Chất lượng mép cắt rất cao [2]

Trong nội dung tiểu luận này sẽ trỡnh bày cỏc ảnh hưởng của việc cắt vật liệu sử dụng phương pháp nóng chảy và thổi: Nung nóng chảy vùng bị cắt và dùng khí áp suất cao thổi chỳng ra khỏi vùng cắt và tạo nên rãnh cắt, sử dụng để nghiờn cứu vấn đề cắt kim loại sắt cỏc bon

 Mục đớch nghiờn cứu

- Tỡm hiểu về nguồn gốc lịch sử hỡnh thành tia lazer

- Tỡm hiểu về cấu tạo nguồn năng lượng tạo ra tia laser

- Nghiờn cứu laze cắt kim loại vật liệu (thộp)

- nghiờn cứu ảnh hưởng chất lượng bề mặt cắt khi cắt với tia laser với thộp cỏc bon thấp

-Đề suất hướng nghiờn cứu ảnh hưởng nhiệt để gia cụng khi sử dụng nguồn năng lượng lớn laser cắt vật liệu sắt cỏcbon và so sỏnh kết quả gia cụng với cỏc phương phỏp khỏc.

5

Tia laser

1.3 giới thiệu lịch sử hình thành và nguồn phát laser trong các máy cắt:

A.Tìm hiểu về nguồn gốc tia laze:

- Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman Nó là loại laser hồng ngọc (rắn)

Laser uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960)

Laser khí Helium-Neon đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961

Laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phòng thí nghiệm General Electric năm

1962

Laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phòng thí nghiệm Bell năm 1964

Laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,…

Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer

Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện [2]

B Tìm hiểu về cấu tạo nguồn năng lượng laser trong gia công kim loại

Sự hình thành của laser:

Trong đó: hình 1

1 Môi trường hoạt tính:

Là môi trường chứa các hợp chất giúp biến đổi mức năng lượng nguồn sáng kích thích (có mức năng lượng thấp) thành nhưng tia sáng có năng lượng cao laze: có nhiều môi trường kể trên như CO2, Nd-YAG, thanh hồng ngọc…

2 Nguồn sáng kích thích:

Nguồn sáng ban đầu cung cấp năng lượng cho quá trình tạo ra tia laze, được điều khiển thoong qua bộ điều khiển, sẽ điều khiển gián tiếp năng lượng đầu ra

3 Buồng cộng hưởng quang học:

Có tác dụng biến đổi nguồn sáng kích thích thành trạng thái ánh sáng có năng lượng mới laze, nhờ tác dụng của môi trường hoạt tính 1, tại đây ánh sáng sẽ đi quanhiều lần và biến đổi dần dần

4,5 gương phản xạ :

4 gương phản xạ toàn phần khi ánh sáng chiếu tớ nó được phản xạ lại

5, gương phản xạ bán toàn phần phản xạ lại những tia sáng chưa đủ năng lượng, khi tia sáng đủ năng lượng sẽ cho đi qua

Những tia sáng đủ năng lượng đi qua đó chính là tia laser [1]

Laser-Beam Machining

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

2.1 tổng quan các tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu

Các tài liệu liên quan: phương pháp gia công đặc biệt, công nghệ laser, đặc điểm nhám bề mặt khi cắt với laser CO2

-phương pháp gia công đặc biệt nghiên cứu tới laser cắt các vật liệu khác nhau, khả

năng gia công laser với các phương pháp khác

- công nghệ laser nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng tới phôi khi cắt bao gồm công suất máy phát, các mối quan hệ giữa vận tốc, khả năng cắt của thiết bị

- đặc điểm nhám bề mặt khi cắt thép các bon thấp với laser CO2 nêu ra được những ảnh hưởng tùy theo mục đích sử dụng mà sẽ lựa chọn thông số nào làm tiêu điểm:

Nếu cắt trong công nghiệp thì khối lượng công việc lớn nên tốc độ cắt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả công việc, do đó mà tốc độ cần cao và có thể độ nhám

ở mức trung bình Với một số các chi tiết không cần độ nhám thì có thể tính toán sao cho tốc độ lớn nhất mà nó đạt được

Nếu ứng dụng trong các nghành kỹ thuật có độ chính sác cao thì yêu cầu về tốc độ

sẽ không phải là chủ yếu nữa, từ thực nghiệm từ thiết lập ra các công thức tính toán

và ở tốc độ nào năng lượng nào chi tiết sẽ đạt độ nhám cao nhất, chính sác nhất từ

đó sẽ lựa chọn các thông số phù hợp

2 Phần nghiên cứu của các tác giả trước:

2.2.1, các nhân tố ảnh hưởng tới kết quả bề mặt gia công của phôi:

-Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt do các thông số của thiết bị gây nên bao gồm: ảnh hưởng loại máy phát , thiết bị điều khiển và các thiết bị hổ trợ khác

Đối với thiết bị , do máy phát laser có nhiều loại ( rắn, lỏng, khí , hỗn hợp ) vàứng với mỗi loại các đặc tính của máy lại khác nhau như bước sóng, tần số , cường độ xung , dạng xung Các yếu tố này ảnh hưởng đến chất lượng cắt cũng như độ chính xác của vật cắt

Các thông số của quá trình công nghệ ảnh hưởng nhiều đến hình dạng chiều sâu cắt cũng như chất lượng của vật gia công Các yếu tố ảnh hưởng của công nghệ bao gồm tốc độ cắt , vị trí của tiêu cự, áp suất dòng khí thổi

2.2.1.1 ảnh hưởng của vật liệu cắt:

Một ưu điểm khỏ lớn là đa số cỏc vật liệu đều thớch hợp với gia cụng cắt: vải, giấy,

gỗ, thủy tinh rồi thộp đặc biệt là thộp tấm, titanium (thường dựng cho ngành hàng khụng), nhụm đồng thau… Thộp cỏc bon là loại vật liệu kim loại dễ cắt nhất bằnglaser Cỏc loại thộp hợp kimthấp như AISI 4140, 8620,… cú điều kiện cắt tương tựnhư thộp cỏc bon.[1]

-đăc tớnh về khả năng hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng của vật liệu:

lượng hợp kim trong thộp tăng thỡ quỏ trỡnh cắt trở nờn khú khăn hơn Với thộp dụng cụ cú hàm lượng vonfram cao thỡ tốc độ cắt rất chậm và cú xỉ

tuy nhiờn, khả năng cắt phụ thuộc rất lớn vào khả năng hấp thụ ỏnh sỏng của vật liệu, với cỏc vật liệu hấp thụ kộm như đồng, nhụm, ỏnh sỏng sẽ bị phản lại và cú

thể làm hỏng cỏc thiết bị cắt (đầu lazer) nờn cỏc chế độ cắt bằng phương phỏp khỏc

sẽ được ưu tiờn hơn

lượng CO2 cung cấp lớn (1500w) bề dày là như nhau nhưng ,nhụm là vật liệu dễ cắt hơn cả, sau đú là titan và đồng Với đồng tốc độ cắt chậm hơn rất nhiều so với cỏc vật liệu khỏc ở cựng bề dày, do ảnh hưởng của tớnh chất vật liệu đến khả năng

hấp thụ năng lượng laze.

Hỡnh 2, ảnh hưởng vật liệu cắt

2.2.1.2 cụng suất mỏy phỏt:

Khi công suất máy phát tăng lên khả năng cắt được vật liệu càng dày hơn Mặt khác khi tiêu cự của thấu kính thay đổi cũng làm thay đổi chiều dày cắt được Trong quá trình khoan lỗ, chiều sâu của lỗ chịu ảnh hưởng nhiều số lượng xung trong những thời gian khác nhau

Hỡnh 3.Ảnh hưởng của công suất máy phát đến chiều sâu lỗ cắt

2.2.1.3 ảnh hưởng lượng xung tới độ sõu lỗ:

Để cắt vật liệu với laser nờn người ta thường điều chỉnh năng lượng đầu ra thụng qua tần số xung Tần số xung càng lớn năng lượng sẽ tăng và ngược lại Dạng

đường cong của đồ thị thể hiện chiều sâu của lỗ cắt tăng lên khi số lượng xung càng tăng, nhưng đến một số lượng xung nào đó thì khả năng tăng đường kính lỗ không đáng kể nữa

Hỡnh 4.Sự phụ thuộc giữa độ sâu lỗ với số xung

Vật liệu ferit, chiều dày 0,8 mm, năng lượng 1 xung là :

1 - 0,2 Jun; 2- 0,25 Jun; 3-0,35 Jun; 4-0,4 Jun; 5- 0,5 Jun

2.2.1.4 phụ thuộc đường kính đầu mỏ cắt và vận tốc cắt:

Hỡnh 5.Sự phụ thuộc đường kính đầu mỏ cắt và vận tốc cắt

Qua đồ thị ta thấy khi đường kớnh đầu cắt quỏ nhỏ thỡ vận tốc nhỏ, và vận tốc tăng nhanh dần khi đường kớnh đầu cắt tăng tới 1 giỏ trị giới hạn, năng lượng tập chung

sẽ giảm do đú vận tốc sẽ bị giảm xuống , do vậy chỳng ta cần chọn đường kớnh đầucắt 1 cỏch hợp lý để tốc độ cắt đạt giỏ trị lớn

2.2.1.5 Sự phụ thuộc của tốc độ cắt vào chiều dày vật cắt:

Tóc độ cắt có quan hệ mật thiết với khả năng cắt chiều sâu cũng như hình dạngtiết diện ngang lỗ cắt Tốc độ cắt càng cao thì chiều dày cắt càng giảm

qua thực nghiệm ta thành lập được đồ thị biểu diễn được sự phụ thuộc của tốc độcắt vào chiều dày vật cắt:

Hỡnh 6 Sự phụ thuộc của tốc độ cắt vào chiều dày vật cắt

Vật liệu cắt :thép cacbon A42, P=1.5, Kw, D= 1.8mm, áp suất dòng khí hỗ trợ cắt : 2bar (cách bề mặt 2mm)

2.2.1.6 sự phụ thuộc của rónh cắt với tốc độ cắt:

- Khi tốc độ cắt càng cao thì chiều rộng rãnh cắt nhận được càng hẹp hơn do sự truyền nhiệt ra xung quanh vùng cắt giảm đi.Trên hình sau đõy dẫn ra các rãnh cắt

thuỷ tinh tectolít dày 5mm,P = 2 kw với V1 < V2 < V3 < V4.

-Vị trí tiêu điểm của chùm tia laser so với bề mặt vật gia công lỗ ảnh hưởng rất

đáng kể đến hình dáng lỗ khoan cũng như chiều sâu lỗ.Tiêu điểm của chùm tia nằm đúng trên bề mặt trên của vật gia công thì hình dáng của lỗ khoan theo chiều sâu đều đặn hơn và chiều sâu của lỗ đạt được hợp lý nhất

Hỡnh 8 : Phụ thuộc hình dạng của lỗ gia công và chiều sâu của lỗ vào vị trí đặt

tiêu điểm của chùm laser-Ngoài ra bề mặt mép cắt đạt được chất lượng cao hay không còn phụ thuộc vào công nghệ cắt có sử dụng dòng áp lực khí thổi hỗ trợ hay không, hướng dịch

chuyển chùm tia laser trong khi cắt

-Ngoài ra độ chính xác gia công còn phụ thuộc vào các thiết bị điều khiển Việc

điều khiển qúa trình cắt bằng các máy CNC sẽ cho phép đạt được độ chính xác sản phẩm cắt và chất lượng vật cắt cao cũng như tăng năng suất quá trình cắt

2.2.2 Nghiờn cứu độ nhỏm bền mặt khi cắt thộp cỏc bon thấp:

đặc điểm nhỏm bề mặt khi cắt với laser CO2

Cắt laser (CO2) với tấm kim loại Để điều tra chất lượng bề mặt, ta chọn để phõn tớch độ nhỏm trung bỡnh, hoặc Ra thụ bề mặt, được thể hiện như:

Trong đú z là độ nhỏm profin thật, L: chiều dài khoảng đang sột

Một cỏch tổng quỏt cho thấy rằng độ nhỏm Ra tăng khi tăng năng lượng Laser Ra,

và Rz giỏ trị sẽ được đỏnh giỏ tựy thuộc vào hai thử nghiệm điều kiện: năng lượng

và tốc độ cắt: