Các phương pháp gia công đặc biệt

ƯBND TP HỊ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ THỦ ĐỨC Bộ MÔN CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO MÁY Tài liệu ỉỉìánỉỉ dạy: CÁC PHUONG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT BIÊN SOẠN: Huỳnh Chỉ Hỷ LƯU HÀNH NỘI Bộ -2013- Lời nói đầu Sự phát triển mạnh mẽ cơng nghệ vật liệu tạo nhiều loại vật liệu có tính (cơ tính, lý tính, độ bền, độ cứng, v.v ) cao cho công nghệ khí chế tạo Việc sử dụng phuơng pháp gia công truyền thống nhu tiện, phay, bào để gia cơng loại vật liệu gặp nhiều khó khăn mặt suất, chất luợng đa số truờng họp không khả thi Nhằm khắc phục vấn đề đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp chế tạo, phuơng pháp gia công đặc biệt (cịn gọi phuơng pháp gia cơng không truyền thống) đời từ 60 năm truớc ngày phát triển Tài liệu đuợc biên soạn nhằm phục vụ cho học sinh bậc Trung cấp chuyên nghiệp chuyên ngành khí Trong tài liệu tham khảo nội dung từ “Các Phương Pháp Gia Công Đặc biệt “ -Nguyễn Ngọc Tuấn-Nguyễn Văn Tường,, NXB ĐHQG TP.HCM-2007 “Các Phương Pháp Gia công “- Trương Ngọc Thục - Trường ĐHSKT TP.HCM-1995 Tuy nhiên nhiều nội dung cần cập nhật chỉnh sửa mong qúi đồng nghiệp đóng góp Xin chân thành cám ơn MỤC LỤC Chương GIA CƠNG BẰNG DỊNG HẠT MÀI 1.1 Nguyên lý gia công 1.2 Thiết bị dụng cụ 1.2.1 Máy 1.2.2 Vòi phun 1.2.3 Hạt mài 1.3 Các thông số công nghệ 1.4 Úng dụng Chương GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC 2.1 Nguyên lý gia công 2.2 Thiết bị dụng cụ 2.3 Các thông số công nghệ 12 2.4 Đặc điểm, ưu điểm phạm vi ứng dụng 13 2.4.1 Đặc điểm 13 2.4.2 Phạm vi ứng dụng 15 2.4.3 Một số sản phẩm tiêu biểu 16 Chương 17 GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN 17 3.1 Bản chất q trình phóng tia lửa điện 17 3.2 Gia công tia lửa điện dùng điện cực thỏi (điện cực nhúng) 25 3.2.1 Nguyên lý gia công 25 3.2.2 Thiết bị 26 3.2.3 Các thông số công nghệ khả công nghệ 37 3.2.3.1 Các thông số điện 37 3.2.3.2 Năng suất bóc vật liệu 40 3.2.3.3 Độ mòn điện cực 41 3.2.3.4 Chất lượng bề mặt gia công EDM 41 3.2.3.5 Độ xác gia cơng 42 3.2.3.6 Các dạng bề mặt gia công điện cực thỏi 43 3.3 Gia công tia lửa điện dây cắt 45 3.3.1 Nguyên lý gia công 45 3.3.2 Thiết bị 46 3.3.3 Các thông số công nghệ khả công nghệ 47 3.3.3.1 Năng suất bóc vật liệu MRR: 47 3.3.3.2 Tốc độ cắt Vs 48 3.3.3.3 Độ căng dây 48 3.3.3.4 Tần số phóng điện 48 3.3.3.5 Chiều dày chi tiết .49 3.3.3.6 Chất luợng bề mặt 49 3.4 Đặc điểm phạm vi ứng dụng gia công tia lửa điện 49 3.4.1 Đặc điểm 49 3.4.2 Phạm vi ứng dụng 50 Chương 52 GIA CÔNG BẰNG TIA ĐIỆN TỬ 52 4.1 Nguyên ký gia công 52 4.2 Công nghệ thiết bị 54 4.2.1 Hàn 54 4.2.2 Khoan, phay, cắt 56 4.3 Các thông số công nghệ khả công nghệ 58 4.3.1 Độ chân không 58 4.3.2 Vận tốc suất tia điện tử 59 4.3.3 Chiều sâu hút điện tử kim loại 60 4.3.4 Mật độ lượng chùm tia 61 4.3.5 Hiệu suất gia công 61 4.3.6 Độ xác gia cơng 63 4.4 Đặc điểm phạm vi ứng dụng 63 4.4.1 Ưu điểm 64 4.4.2 Nhược điểm 64 4.4.3 Phạm vi ứng dụng 64 Chương 66 GIA CÔNG BẰNG TIA LASER 66 5.1 Nguyên lý gia công 66 5.2 Thiết bị dụng cụ 68 5.2.1 Phân loại máy phát laser 68 5.2.1.1 Laser ran 68 5.2.1.2 Laser bán dẫn: 69 5.2.1.3 Laser khí 70 5.2.1.4 Laser lỏng 71 5.2.1.5 Laser gamma 72 5.2.2 Cấu tạo máy Laser 72 5.2.3 Một số máy phát laser .73 5.3 Các thông số công nghệ khả công nghệ 75 5.3.1 Các thông số công nghệ 75 5.3.1.1 Năng lượng thời gian xung 75 5.3.1.2 Chiều dài sóng (1) 75 5.3.2 Khả công nghệ .76 5.3.2.1 Khoan tia laser 76 5.3.2.3 Hàn tia laser 78 5.4 Đặc điểm phạm vi ứng dụng 79 5.4.1 Ưu điểm 79 5.4.2 Nhược điểm 79 Chương (tham khảo) 82 GIA CÔNG BẰNG PLASMA 82 6.1 Khái niệm Plasma 82 6.2 Nguyên lý gia công 84 6.3 Các thông số công nghệ khả công nghệ 86 6.3.1 Điện áp hồ quang 86 6.3.2 Cường độ dòng điện nguồn 86 6.3.3 Tốc độ cắt 87 6.3.4 Khoảng cách từ đầu phun đến chi tiết gia công 89 6.3.5 Vùng ảnh hưởng nhiệt chất lượng vết cắt 89 6.4 Ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng 89 6.4.1 Ưu điểm 89 6.4.2 Nhược điểm 90 6.4.3 Phạm vi ứng dụng 90 Tài liệu tham khảo 91 Các phương pháp gia cơng đặc biệt Chương GIA CƠNG BẰNG DỊNG HẠT MÃI Mục tiêu: Sau học xong chuông học sinh có khả năng: - Trình bày đuợc ngun lý gia cơng kim loại dịng hạt mài - Trình bày đuợc thông số làm việc gia công dòng hạt mài - Xác định đuợc ứng dụng q trình gia cơng hạt mài 1.1 Ngun lý gia cơng Hình 1.1 Ngun lý gia cơng dịng hạt mài Khơng đuợc nhầm lẫn PPGC tia nuớc có hạt mài gia cơng dịng hạt mài, gia cơng dịng hạt mài phuơng pháp bóc vật liệu dịng khí khơ mang hạt mài với vận tốc cao tác động lên chi tiết Sụ va đập phần tử hạt mài vào bề mặt chi tiết gia công tạo thành lục tập trung đủ lớn, gây nên vết nứt nhỏ, dịng khí mang hạt mài mẫu vật liệu nứt (mòn) xa Phuơng pháp thuận lợi để gia công loại vật liệu giịn, dễ vỡ Khí bao gồm nhiều loại nhu khơng khí, co2, nitơ, heli, Khí sử dụng có áp suất từ 0,2+1,4MPa, dịng khí có hạt mài có vận tốc lên đến 300m/s đuợc điều khiển van Quá trình thuờng đuợc thục cơng nhân điều khiển vịi phun huớng dòng hạt mài chi tiết Trang Các phương pháp gia công đặc biệt 1.2 Thiết bị dụng cụ 1.2.1 Máy Hình 1.2 Sơ đồ khối máy gia cơng dòng hạt mài chân Hình 1.3 Sơ đồ máy gia cơng dịng hạt mài Khí từ bình chứa sau lọc đưa đến trộn Trong trộn có chứa sẵn hạt mài mịn Bộ trộn rung với tần số 5QHz Từ trộn, dịng khí với hạt mài có kích thước từ 104-50p/77 dẫn tới vịi phun ngồi Lượng khí tiêu thụ khoảng 0,6m3//7 Đầu vòi phun cách chi tiết gia cơng khoảng định tùy thuộc mục đích gia công Tốc độ nạp hạt mài điều khiển biên độ rung trộn Mối liên hệ chuyển động vịi phun chi tiết gia cơng nhận nhờ cam chương trình máy vẽ truyền để điều khiển hình dáng kích thước cắt Thiết bị dọn bụi gắn vào để bảo vệ môi trường 1.2.2 Vòi phun Vòi phun phải làm vật liệu cứng để giảm mài mòn, thường sử dụng wc (các bít vonfram) sapphire Tuổi thọ vịi phun làm bang wc từ 124-30 giờ, vòi phun làm bang sapphire có tuổi thọ đến 300 Lỗ vịi phun có đường kính từ 0,0754-1/77/77 Đầu phun thẳng góc vng hình 2.70 Hình 1.4 Hình dáng đầu phun Trang Các phương pháp gia công đặc biệt 1.2.3 Hạt mài Hạt mài phải có hình dáng không đều, bao gồm cạnh ngắn, sắc tốt hon hình dạng trịn Hạt mài thường làm từ vật liệu sau: oxit nhôm, bic silic, bicácbônát natri, đôlômit thủy tinh Cỡ hạt dùng gia cơng nhỏ, đường kính 104-50pm, tốt từ 154-20pm Các hạt mài phải đồng kích thước cho lần sử dụng Điều quan trọng việc sử dụng lại hạt mài, hạt mài sau sử dụng bị gãy, mịn hư hỏng Đe q trình gia cơng đạt hiệu hạt mài phải sắc cạnh Khơng nên sử dụng lại hại mài mòn cạnh kích thước hạt nhỏ Các hạt mài nhỏ làm tắt vịi phun Việc chọn loại hạt mài, cỡ hạt phụ thuộc vào nguyên công 1.3 Các thông số công nghệ Các thông số gia cơng dịng hạt mài là: - Áp suất dòng hạt mài - Tốc độ dòng hạt mài - Cỡ hạt loại hạt mài - Năng suất bóc vật liệu - Vật liệu chi tiết gia cơng Năng suất bóc vật liệu, hình dạng hình học vết cắt, độ bóng bề mặt tốc độ mịn vịi phun bị ảnh hưởng kích thước khoảng cách vòi phun, thành phần, độ bền kích thước hình dáng dịng hạt mài, thành phần, áp suất tốc độ khí Năng suất bóc vật liệu (MRR) tỉnh sau: - MRR = %.z.d3 V312 í —V — ì đó: z - số lượng hạt mài tác động đơn vị thời gian d - đường kính trung bình hạt mài; X - số V - tốc độ hạt mài; p - mật độ hạt mài Hw - độ cứng chi tiết gia công-ứng suất chảy dẻo Năng suất bóc vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ dịng hạt mài kích thước hạt mài Hạt mài có độ hạt lớn bóc với tốc độ cao Tại áp suất Trang Các phương pháp gia công đặc biệt định, suất bóc vật liệu tăng theo tốc độ dòng hạt mài, nhung sau đạt đến giá trị tối un suất bóc vật liệu giảm ta tiếp tục tăng tốc độ dòng hạt mài Sở dĩ nhu tốc độ dịng khí giảm ta tăng tốc độ dòng hạt mài tỷ số trộn tăng gây nên sụ giảm suất bóc vật liệu luợng để mài mịn lúc giảm Tốc độ lun luợng hạt mài phải tuong xứng với áp suất lun luợng dịng khí Luu luợng hạt mài thuờng từ 24-20g/p/7 Áp suất dịng khí điển hình 0,24- INImm2 Tốc độ dịng hạt mài từ 1504-300/7//.S' Thành phần khí ảnh huởng đến mối quan hệ áp suất lun luợng khí Hình 1.5 diễn tả mối quan hệ suất bóc vật liệu tỷ lệ trộn dịng khí dòng hat mài nhu tỷ lệ lun luợng dịng hạt mài Năng suất bóc vật liệu tăng tăng khoảng cách từ miệng vòi đến chi tiết gia cơng đến giá trị định, sau giữ không thay đổi khoảng cách định giảm dần (H.1.6) Phuơng pháp gia cơng có suất bóc vật liệu nhỏ: Áữmglph, ISmn/lph, Quan hệ khoảng cách từ miệng vòi phun đến chi tiết gia cơng suất bóc vật liệu đuợc thể hình 1.6 Hình 1.6 Qnan hệ MRR - NTD Khi khoảng cách từ miệng vòi phun đến chi tiết gia cơng (NTD) lớn vết gia cơng rộng, cạnh cắt sắc nét (H.1.7) Khoảng cách từ miệng vịi phun bề mặt gia cơng khoảng từ 0,254-75/77/7/ Trang Các phương pháp gia công đặc biệt Hình 1.7 Khoảng cách gia cồng Quá trình tránh khỏi bề mặt gia công bị dịng khí có hạt mài bị lịe Hạt mài găm vào bề mặt chi tiết, phải có hệ thống hút bụi phù họp Nói chung, yếu tố ảnh hưởng đến q trình gia cơng là: - Năng suất bóc vật liệu - Hình dạng hình học vết cắt - Độ bóng bề mặt - Tốc độ mòn vòi phun Các yếu tố bị ảnh hưởng bởi: - Hạt mài: thành phần, độ bền, kích cỡ, tỷ lệ luu luợng dịng hạt mài - Thành phần khí, áp suất tốc độ dịng khí - Vịi phun: hình dạng hình học, vật liệu làm vòi phun, khoảng cách từ vòi phun đến chi tiết gia công, độ nghiêng làm việc vịi 1.4 ứng dụng Q trình GC dịng hạt mài thường sử dụng để thực công việc như: - Cắt lỗ nhỏ, rãnh, mô hình, hoa văn phức tạp vật liệu kim loại cứng giòn vật liệu phi kim loại - Tẩy bavia - Cắt mép, tạo mặt vát Trang Các phương pháp gia công đặc biệt Năng lượng tia laser hấp thụ mặt phẳng kim loại gia công lượng chuyển vào vùng cắt dạng nhiệt, lượng gia tăng nhiệt độ tới điểm nóng chảy bay Một dịng khí có áp suất cao thổi vào vùng cắt để thổi kim loại nóng chảy kim loại khỏi vùng nóng chảy Di chuyển tia laser dạng liên tục hay dạng xung dọc theo quỹ đạo ta nhận vết cắt Be rộng vết cắt, chất lượng cạnh cắt, phụ phẩm (như xỉ) tập trung phụ thuộc vào lựa chọn tia, chất lượng tia, lượng phân bố kiểu di chuyển gia công (tia di chuyển, phôi di chuyển, hay kết họp di chuyển hai) Một điều dễ thấy độ sâu cắt tỷ lệ thuận với lượng cắt tỷ lệ nghịch với tốc độ cắt Như lượng cắt gấp đôi tạo chiều sâu cắt gấp đôi Do bề dày cắt lớn hàm lượng cắt, tốc độ cắt yêu cầu chất lượng cắt Hiện bề dày 25mm xem bề dày lớn loại thép họp kim mà người ta cắt Khoảng bề dày cắt có hiệu kinh tế cao lên tới 12,5/77/77 kim loại phản xạ ánh sáng laser với phần trăm gia tăng tương ứng bước sóng tia tăng với mật độ lượng cao tạo tia laser co2 lượng cao khắc phục ảnh hưởng phản xạ Các tia laser bước sóng ngắn Nd:YAG chịu ảnh hưởng bước sóng ngắn nên phần lớn lượng chúng bị hấp thụ Dịng khí nén thổi vào thường oxy Nhờ dịng khí mà hệ số phản xạ bề mặt kim loại giảm xuống Hơn nữa, bề mặt đạt đến trạng thái nhiệt độ cao, oxy sinh phản ứng tỏa nhiệt, thúc đẩy trình cắt Khí nén thổi phần kim loại bốc plasma khỏi khu vực cắt gọt, tạo điều kiện cho trình cắt xảy dễ dàng, bề mặt vết cắt Đe cho trình cắt gọt đạt hiệu cao dịng khí thổi vào phải tạo thành dịng lên khu vực gia cơng với kích thước lớn vết chùm tia laser Dòng oxy áp suất thấp tạo phản ứng tự cháy gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng vết cắt Trong số trường họp, tùy thuộc vào vật liệu chi tiết gia công mà người ta sử dụng khí trơ thay cho oxy Khí khơng tạo phản ứng cháy để gia nhiệt cho trình có chức đề cập Thông thường người ta sử dụng oxy, nitơ, argon để cắt mỏng Dùng khí heli để cat titan, khí trơ áp suất cao để cắt thép không gỉ nhôm Trang 77 Các phương pháp gia công đặc biệt Khi cắt laser, thông số quan trọng bề rộng vết cắt thông thường lớn hon tia laser chút, nên việc điều khiển tia laser quan trọng Be rộng đường cắt hàm số yếu tố chất lượng tia, tiêu điểm, vị trí tiêu điểm, áp suất khí đến khơng gian tốc độ cắt Be rộng vết cắt điển hình 0,2/77/77 cắt oxy-axêtylen 3mm Khi cắt với laser co2 liên tục tạo giá trị độ nhám bề mặt vết cắt từ 84-15pm thép cán nguội có bề dày ỉ,6mm từ 3Ơ4-50pm với thép Với việc dùng oxy để hỗ trợ cắt, độ nhám cắt thép không gỉ thường 3Ơ4-50pm 5.3.2.3 Hàn tỉa laser Khi hàn tia laser khơng có vật liệu tiếp xúc với chi tiết hàn nên mối hàn không bị bẩn Phương pháp hàn hàn vật liệu môi trường khơng khí, hàn tia điện tử phải thực môi trường chân không Vùng ảnh hưởng nhiệt hàn tia laser nhỏ Đây đặc tính quan trọng hàn chỗ gần yếu tố nhạy nhiệt Hàn tia laser áp dụng phổ biến công nghệ chế tạo vi mạch Nhờ phương pháp nối đầu nối với mạch in Hàn tia laser cịn áp dụng cơng nghệ làm kín vỏ mạch tích họp Phương pháp nối kim loại có tính chất lý hóa khác nhau, nối kim loại với phi kim loại Sự chuyển lượng laser chuyển thành nhiệt khiến cho kim loại phải trải qua thay đổi pha từ rắn sang lỏng lượng khơng cịn nữa, kim loại trở trạng thái rắn Quá trình hàn chảy kim loại dùng để tạo mối hàn điểm hay lớp hàn liên tục Có hai kiểu hàn laser: hàn dẫn nhiệt hàn xuyên sâu - Hàn dẫn nhiệt: Dựa đặc tính khuếch tán nhiệt kim loại để dẫn nhiệt vào vùng mối hàn Bằng cách tập trung nhiệt đường kính tia hội tụ điều khiển cho lượng nhiệt vào vùng hàn khoảng thời gian ngắn, lượng nhiệt dẫn ngày vào sâu bên mối hàn nhiều - Hàn lỗ xuyên sâu: tạo lượng tia chuyển đổi thành nhiệt tạo lỗ xuyên qua bề dày lóp kim loại, áp suất bốc kim loại làm cho lóp kim loại chảy thích họp ảnh hưởng đến lỗ Kim loại di chuyển lỗ đặc lại, Trang 78 Các phương pháp gia công đặc biệt cỏ cấu trúc khác với kim loại Các giới hạn hàn xuyên sâu lớn vào khoảng 25/77/77 với công nghệ laser Tia laser Kiểu xuyên sâu Kiểu dẫn nhiệt Hình 5.12 Các kiểu hàn laser Chiều sâu ngấu hàn tia laser nhỏ phụ thc vào tốc độ truyền nhiệt từ luợng bề mặt chi tiết Tuy nhiên, hàn laser luợng cao chùm tia tạo lỗ vật liệu luợng laser tập trung vào đáy lỗ, cho phép đạt đuợc chiều sâu ngấu lớn 5.4 Đặc điểm phạm vi ứng dụng 5.4.1 ưu điểm - Không cần dùng buồng chân khơng - Khơng có vấn đề tích điện mơi truờng - Khơng có phóng xạ Rơnghen - Có khả làm việc mơi truờng khơng khí, khí trơ, chân khơng, chất lỏng hay chất rắn truyền quang - Có thể gia cơng tất vật liệu - Khơng có sụ tác dụng lục trục tiếp dụng cụ phôi - Phù hợp với công việc cắt vật liệu ceramic vật liệu bị phá hủy nhanh nhiệt độ - Sụ xác khả gia công lỗ nhỏ đuờng cắt chuẩn xác với biến dạng xung quanh vùng gia cơng - Thời gian tồn xung gia cơng ngắn suất cao - Có khả tạo rãnh hẹp - Chế độ gia công êm gia công khác 5.4.2 Nhược điểm - Hiệu suất thấp (khoảng 1%) Trang 79 Các phương pháp gia công đặc biệt - Khó điều chỉnh cơng suất - Khả điều chỉnh độ lệch tia tia điện tử - Đuờng kính nhỏ điểm chất sáng phụ thuộc vào buớc sóng ánh sáng - Có kỹ thuật cao, đầu tu lớn - Giá thành cao - Cần phải xác định xác điểm gia cơng - Sụ phá hủy nhiệt có ảnh huởng tới phôi 5.4.3 Phạm vi sử dụng - Trong công nghiệp, laser đuợc sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt, tiện, phay loại vật liệu có độ nóng chảy cao kể phi kim - Cắt rãnh nông, chạm khắc dụng cụ đo chi tiết thép, khắc logo vật liệu kim loại phi kim - Gia công chi tiết cục nhỏ - Gia cơng vi laser cho phép cắt kích thuớc nhỏ loại vật liệu nhu: kim cuơng, thủy tinh, ceramic, polyme mềm mà phuơng pháp khác khó gia công - Nhiệt luyện, chẳng hạn cứng bề mặt bánh mặt trụ - Cân động lục cho động chuyển động với chi tiết u cầu độ xác cao, khơng bị lệch tâm Đối với chi tiết có chuyển động quay, việc cân đuợc thục cách cho bay vật liệu thừa làm cân chi tiết - Laser đuợc dùng để kiểm tra chất luợng sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh khiết chất lỏng khí, sản phẩm điện tử - Tạo lóp cách nhiệt cách cắt lóp kỹ nghệ hàng khơng, vi tính - Gia cơng vật liệu mỏng, đặc biệt mạch tích hợp (IC) Làm vi mạch điện tử - Tạo mẫu nhanh - Dùng công nghiệp dệt may để cắt hay nhiều lớp vải - Trong y khoa, laser đuợc ứng dụng việc giải phẫu, điều trị bệnh bong võng mạc mắt, khoan răng, châm cứu Trang 80 Các phương pháp gia cơng đặc biệt Ngồi ra, laser cịn thâm nhập vào sống qua băng từ, máy in laser, máy photo laser, đo đạc nhiều ứng dụng khác Hình 5.13 hình dáng bên ngồi máy gia cơng tia laser NC năm trục dùng để hàn, cắt chi tiết lớn, đặc biệt kim loại Hình 5.13 Máy gia cơng laser NC năm trục Hình 5.14 Trung tâm gia cơng laser Hình 5.15 Máy cat laser S800 Etưolaser Câu hỏi ơn tập: 1) Trình bày ngun lý gia cơng tia laser 2) Hãy trình bày thiết bị gia công tia laser 3) Nêu thông số công nghệ gia cơng tia laser 4) Trình bày ứng dụng gia cơng tia laser 5) Trình bày uu nhuợc điểm gia công tia laser Trang 81 Các phương pháp gia công đặc biệt Chưong (tham khảo) GIA CÔNG BẰNG PLASMA 6.1 Khái niệm Plasma Plasma khái niệm vật lý trạng thái đặc biệt khí tìm vào năm 1923 Trong trạng thái này, khí trở nên dẫn điện kết ion hoá ngun tử khí Do đó, biểu thị tương ứng với trạng thái thứ tư vật chất Đe đưa đến trạng thái ion hóa khí, cần phải có nguồn lượng, thích họp nhiệt độ hồ quang điện Thông thường, ion hố phần tử ngun tử khí xảy chúng va chạm với điện tử, nguyên tử photon Trong trường họp này, lượng chuyển tới phần tử ion hóa vượt qua giá trị ngưỡng tối thiểu gọi ion hóa Q trình ion hóa phân cấp theo mức độ va chạm nguyên tử điện tử với ngun tử Neu chất khí đốt nóng tới nhiệt độ cao tất trình ion hóa xảy đồng thời khí Các chất ion hoá dẫn điện gọi plasma Khi hồ quang cháy tự do, vùng plasma cột hồ quang bé, nhiệt độ bình cột hồ quang 5.000-6.000°C tùy thuộc vào thành phần chất khí Neu khả hoạt động tự hồ quang bị hạn chế, nhiệt độ cột hồ quang lên tới 15.00020.000°C Sự thắt cột hồ quang tạo nên plasma cực mạnh chuyển thành hồ quang plasma Hình 6.1 Sơ đồ ngtiỵên ỉỷ tia plasma Trang 82 Các phương pháp gia công đặc biệt Nhiệt độ plasma phụ thuộc vào khí đưa vào vùng trạng thái plasma Mơi trường khí plasmatron phải thực chức sau: - Bảo vệ khỏi tương tác hóa học làm nguội điện cực - Biến đổi điện thành nhiệt - Tạo tia plasma ổn định với tốc độ nhiệt độ yêu cầu - Đảm bảo tính chất cần thiết sản phẩm - Phải đơn giản kinh tế - Điều kiện thao tác an tồn Hiện người ta sử dụng loại khí sau để tạo plasma: - Nỉtơ: đạt nhiệt độ 7.500°K, tính dẫn điện dẫn nhiệt điều kiện nhiệt độ cao tốt, thuận lợi cho việc trì hồ quang - Hydrơ: đạt nhiệt độ 7.500°K, tính dẫn nhiệt tốt so với số khí khác Khí hydrơ tương đối rẻ mơi trường nhiệt độ cao thường có tác động phá hủy điện cực, thường sử dụng kết họp với argon - Argon: Đạt nhiệt độ 15.000°K, có tính dẫn điện tốt, loại đắt tiền, thường sử dụng trường họp cần tới vai trò trơ hóa học - Hêlỉ: Đạt nhiệt độ 20.000°K, có tính chất điện tốt so với argon giá thành cao nên dùng Các khí bảo vệ dùng để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác dụng khơng khí tự q trình gia cơng làm nguội Tùy thuộc vào vật liệu gia cơng mà chọn khí bảo vệ khác Các khí sử dụng argon, heli, nitơ, cacbonic hỗn họp chúng argon-hydrô, argon-heli, argon-cácbonic, nitơ-hydrơ Ngồi tăng nhiệt độ dọc theo trục cột hồ quang bị thắt xuất dịch chuyển tự vết hoạt tính mặt chi tiết tạo nên dòng nhiệt tập trung lưu chi tiết Khơng giống hồ quang tự có dạng hình có tiết diện trải rộng phía chi tiết, hồ quang plasma có dạng hình trụ Đe tạo hồ quang plasma người ta dùng thiết bị tạo plasma (plas matron), cỏ ba kiểu plasmatron: ho quang trực tiếp, hồ quang gián tiếp hồ quang kết họp Trong trường họp điện cực gắn vào đầu chịu nhiệt (yonfram) Điện cực thường catot Trang 83 Các phương pháp gia công đặc biệt a) Hồ quang trực tiếp; b) Hồ quang gián tiếp; c) Hồ quang kết hợp Trong plasmatron hồ quang trực tiếp, chi tiết anot chụp trung tính, làm nhiệm vụ ổn định thắt cột hồ quang Trong plasmatron hồ quang gián tiếp, chụp tạo plasma anot, chi tiết trung tính Trong plasmatron hồ quang kết hợp có anot riêng catot chung (điện cục) Các anot chi tiết chụp tạo plasma Hồ quang bị thắt tới giới hạn định Ở giá trị định cuờng độ đuờng kính chụp tạo plasma, hồ quang kép xuất Nó lần luợt cháy điện cục chụp tạo plasma chụp tạo plasma chi tiết Sụ xuất hồ quang kép giải thích nhu sau: dịng điện tăng đuờng kính chụp tạo plasma giảm điện áp cột hồ quang tăng Song lóp khí gần thành chụp tạo plasma giảm dần tăng tính dẫn điện khí tạo điều kiện cho dịng điện ngắt Hồ quang kép tuợng có hại phá hoại sụ tạo thành mối hàn làm hỏng chụp tạo plasma Đe ngăn ngừa sụ tạo hồ quang kép cần chọn đuờng kính khe chụp tạo plasma luợng khí tiêu thụ qua Gia cơng tia plasma công nghệ dùng hồ quang plasma sinh catot anot để tiện hàn cắt kim loại 6.2 Nguyên lý gia công Cắt tia plasma PPGC dùng dịng plasma có nhiệt độ từ 10.0004-14.000°C để cắt kim loại cách làm cho nóng chảy cục vị trí cắt dùng áp lục dịng khí đẩy phần kim loại nóng chảy khỏi vị trí Q trình cat plasma chia làm hai phần: - Đầu tiên dịng khí nóng làm nóng chảy xuyên thủng vật liệu Trang 84 Các phương pháp gia cơng đặc biệt - Sau dòng plasma dịch chuyển theo đường dẫn vạch sẵn để cắt vật liệu Sơ đồ nguyên lý cắt tia plasma trình bày hình 6.3 a) b) 1- Tia plasma; 2- Vòi phun; 3- Catot; 4- Chi tiết gia cơng; 5- Nguồn điện Hình 6.3 Nguyên lý cat tỉa plasma Cắt hồ quang tia plasma khơng phụ thuộc vào phản ứng hóa học khí vật liệu gia cơng nhiệt độ trạng thái plasma cao Sự gia công sử dụng cho hầu hết kim loại, kể vật liệu mà cắt axetylen Dịng hồ quang có đầy plasma nhiệt độ thấp, tác động hiệu điện từ nguồn điện, hạt tích điện dịng hồ quang di chuyển phía electron với vận tốc lớn hơn, từ electron di chuyển cực dương; cịn proton di chuyển phía cực âm Do chuyển động hạt phóng điện tích di chuyển đến điện cực thích họp Đồng thời hồ quang xuất dòng điện (hồ quang dẫn đường cho dòng điện xuất hiện) trình tạo hạt điện tích (sự ion hóa) dịng plasma khơng ngừng diễn q trình nguyên tử kết hợp với phân tử, trường hợp để dòng hồ quang tồn nhiệt độ cao Gia công hồ quang plasma phải dùng PCSP (bản cực âm) với tia hồ quang đập vào bề mặt cực bang tungsten đặt hồ quang chi tiết gia công Tia hồ quang cực phôi tia hồ quang phát từ cực miệng vòi phun Vòi phun nối với cực (+) thơng quan dịng giới hạn điện trở cơng tắc hỗn hồ quang mồi Hồ quang mồi tạo từ máy tần số cao nối với điện cực vịi phun khí ion hóa dẫn từ vùng hồ quang mồi thổi qua khe miệng vòi Do tạo đường dẫn có trở kháng thấp để tạo hồ quang điện cực phơi Ngay hồ quang đốt cháy hồ quang mồi bị tắt Trang 85 Các phương pháp gia cơng đặc biệt Hồ quang có tần số cao xun qua khí trơ cịn khí khác bị ion hóa, dịng khí ion hóa hồ quang đuợc đua đến miệng vịi Vịi có miệng tuơng đối nhỏ, thu gọn hồ quang, làm tăng mật độ dòng hồ quang nhiệt độ tăng lên Dòng hồ quang có cuờng độ nhiệt độ lớn đuợc tập trung vào vùng gia công làm cho vật liệu bị nóng chảy lúc cắt Chất khí bị nung nóng hồ quang khơng thể dãn nở đuợc miệng vịi khống chế Nó nhập lại với hồ quang tạo thành tia siêu âm Kim loại gia công tiếp tục nóng chảy hồ quang nhiệt cuờng độ cao đuợc lấy dịng khí phát từ lỗ vòi để tạo vật cắt tạo mặt cắt nhẵn bóng Sụ kết họp nhiệt lục tia hồ quang tạo mặt cắt chất luợng cao Phuơng pháp gia cơng hồ quang plasma cắt đuợc kim loại dẫn điện Các vật liệu thuờng cắt hồ quang plasma thép carbon, thép không gỉ nhôm Plasma đuợc ứng dụng việc cắt vật liệu dẫn điện cứng, kim loại đặc biệt với tốc độ cao Plasma cắt thép mềm có độ dày 6.35mm với tốc độ 3.Y15mmlphút 6.3 Các thông số công nghệ khả công nghệ 6.3.1 Điện áp hồ quang Điện áp hồ quang q trình gia cơng thấp điện áp nguồn điện chạy không tải, phụ thuộc vào chiều gia cơng Thơng thuờng điện áp cắt mỏng từ 1204-200V 400V dày Khi cắt đứt kim loại hiệu điện không tải lên đến 500V, đồng thời kim loại dùng để cắt đứt dày đến 200mm Bảng 6.1 Điện áp độ dày cực đại (mm) kim loại cat gọt Điện áp gia công (V) Nhôm hợp kim nhôm Thép không gỉ Thép cacbon Đồng Đồng thau 70 4- 80 40 40 30 15 30 90 4-110 80 70 70 50 70 120 4-140 100 90 90 80 90 6.3.2 Cường độ dòng điện nguồn Cường độ dòng điện nguồn định hiệu kinh tế trình gia cơng chọn cường độ dịng điện ta giảm hao phí làm điện cực (giảm đường kính âm cực) Do chọn cường độ dịng điện ta phải dựa vào kính thước sơ cực âm hay đường kính miệng vòi phun đầu phát tia plasma Các thiết bị cơng nghiệp khác làm việc dịng điện từ 7Ơ4-1000N tùy Trang 86 Các phương pháp gia công đặc biệt thuộc vào vật liệu tốc độ cắt Thiết bị cắt tay sử dụng điện áp mạch hở 1204-200F, dòng điện 704-10(14 tốc độ cắt tuong đối thấp Bảng 6.2 trình bày mối quan hệ cuờng độ dịng điện với đuờng kính catot đuờng kính vịi phun Chú ý cuờng độ dịng điện chọn bảng cuờng độ mạch điện, cuờng độ dòng điện điện cục đến 304-50/4 Bảng 6.2 Cường độ dòng điện đường kính catot, vịi phun Cường độ dịng điện (A) Cường độ Đường kính (mm) Catot Miệng vịi Đường kính (mm) dòng điện (A) Catot Miệng vòi phun phun 3,5 4,5 150^200 1,8 1,5 4- 400 4- 500 3,5 200 4- 250 2^2,5 500 4- 600 4,5 ^-5 250 4- 300 2,5 2,5 ^-3 600 4- 700 4,5 4- 5,5 300 4- 400 3 4- 3,5 700-H 800 5,5 ^-6 6.3.3 Tốc độ cắt Tốc độ gia công tùy thuộc vào chiều dày gia cơng hay bề dày lóp cat Neu bề dày lópcăt nhỏ tơc độ căt tăng lên nguợc lại Khi tốc độ cắt giảm, lóp kim loại cắt tăng lên, đặc điểm quan trọng trình cắt gọt hồ quang plasma Khi gia công thép cacbon có bề dày lóp S cắt ỉ,5mm tốc độ cắt đạt tới ■> 2Qmmlphút Khi cắt thép có chiều dày nhỏ 15mm cat bang plasma nhanh cắt oxy nhiên liệu, duới 25mm cắt Hình 6.4 Đồ thị biêu diễn plasma nhanh gấp lần so với oxy nhiên liệu Hình 6.4 trình bày quan hệ tốc độ cắt chiều dày cắt cắt thép cacbon, thép không gỉ nhôm plasma Bảng 6.3 Tốc độ cắt gia công sổ vật liệu theo đề nghị hãng Hyperthem Vật liệu Dòng điện, A Chiều dày, mm Tốc độ cắt, mm/ph Trang 87 Vật liệu Dòng điện, A Chiều dày, mm Tốc độ cắt, mm/ph Các phương pháp gia công đặc biệt 12 6462 3226 1613 Thép khơng gỉ, N2: khí tạo plasma O2-N2: khí bảo vệ 200 12 15 20 22 4301 2151 1851 1331 1155 Thép khơng gỉ, N2: khí tạo plasma N2: khí bảo vệ 400 3871 3226 2681 1935 1796 1419 Nhôm, 300 10 12 15 20 22 25 400 12 20 25 32 4301 2298 1806 1386 100 Thép c thấp, khí tạo plasma: Ơ2, Khí bảo vệ: O2-N2 Thép c thấp, khí tạo plasma: O2, Khí bảo vệ: khơng khí 200 N2: khí tạo plasma O2-N2: khí bảo vệ 200 Nhơm, N2: khí tạo plasma N2: khí bảo vệ 400 12 15 20 22 3226 2016 1628 1089 898 12 20 25 32 3763 1694 1032 756 12 15 20 22 4301 2151 1851 1210 898 12 20 25 30 4032 1935 1290 1085 Ưu điểm cat hồ quang plasma điều khiển chương trình số tốc độ cao Tốc độ cắt dọc theo đường dẫn lên đến 0,128/77/.S cho miếng nhôm dày 6,3 5/77/77, 0,085m/s cho miếng thép dày 6,35mm Tốc độ cắt giảm dần với vật liệu dày Ví dụ tốc độ cắt tối đa cắt miếng nhôm dày 100/77/77 O,OO85/77/.s Khi gia cơng cắt thép cacbon có bề dày ỈOmm tốc độ cắt nhỏ 3+Ạmmlphút Nhưng tốc độ cắt gia công hồ quang plasma cao tốc độ cắt khí oxy với cơng suất giống Tốc độ cắt gọt kim loại tăng lên cơng suất hồ quang cắt tăng lên tốc độ cắt không thay đổi Tốc độ cắt gọt kim loại định công suất gia công Khi tốc độ cắt cực đại suất cắt tăng lên hiệu kinh tế trình gia cơng tăng lên Cịn tốc độ cắt giảm, khơng suất giảm mà ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công: giảm tốc độ cắt, lượng nhiệt tác dụng vào bề mặt chi tiết tăng lên, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt, chi tiết gia công bị cong vênh Trường họp thường gặp cắt đứt thép mỏng Khả cắt kim loại biểu diễn quan hệ sau: c.ơ = 0,24^J ỵ.b.s đó: V - tốc độ cắt kim loại Trang 88 Các phương pháp gia công đặc biệt d - độ dày kim loại u, I - điện áp dòng điện hồ quang s - entanpy kim loại nóng chảy B - bề rộng vết cắt h - hiệu suất nhiệt g - khối luợng riêng kim loại cắt Quá trình cắt cần phải đuợc tính tốn để phối họp tốt công suất tốc độ cắt Điều đuợc thục chọn dòng điện, điện áp, dạng khí tạo plasma kết cấu plasmatron Đe cắt đuợc chiều dày cắt lớn phải tăng công suất giảm tốc độ cắt 6.3.4 Khoảng cách từ đầu phun đến chi tiết gia công Việc điều chỉnh khoảng cách đầu phun chi tiết gia công quan trọng Khoảng cách từ 2+5mm hỗn họp khí lớn khơng khí Khoảng cách q lớn làm giảm chất luợng cắt tăng luợng khí sử dụng 6.3.5 Vùng ảnh hưởng nhiệt chất lượng vết cắt Cấu trúc kim loại mép cắt thay đổi tùy theo kim loại chiều dày cắt Khi cắt cacbon thấp, vùng ảnh hưởng nhiệt rộng từ 0,24-0,3/77/77 Tại vùng ảnh hưởng nhiệt có cấu trúc peclit bainit, nhiều làm tăng độ cứng so với kim loại Khi cắt thép chứa 13%Cr vùng ảnh hưởng nhiệt rộng 2+3mm, cỏ cấu trúc mactenxit trostit có độ cứng cao Khi cắt nhôm vùng ảnh hưởng không thay đổi cấu trúc ranh giới hạt xuất rỗ chảy với chiều sâu tới 0,3/77/77 Chất lượng vết cắt phụ thuộc vào cường dộ dịng điện, khí sử dụng, tốc độ cắt khoảng cách plasmatron đến chi tiết gia cơng Neu dịng q lớn mép cắt bị cháy bắn tóe, chiều rộng vết cắt vùng ảnh hưởng nhiệt tăng Khi sử dụng chế độ cắt thích họp mép cắt phang khơng sần sùi Cạnh cắt khơng vng góc với mặt cắt mà nghiêng góc 54-20° tùy theo chiều dày chi tiết gia cơng Đe tạo vết cắt vng góc cần giảm tốc độ cắt, vết cắt rộng Chiều rộng vết cắt thơng thường từ 74-10/77/77 phía 5+8mm phía 6.4 Ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng 6.4.1 Ưu điểm - Có tính vạn năng: cắt kim loại sử dụng thiết bị giống Trang 89 Các phương pháp gia công đặc biệt - Tốc độ cắt lớn vết nứt bề mặt không lớn, cho suất cao - Dễ dàng kết hợp với máy tự động - Sử dụng nguyên liệu khí để cắt gọt - Cắt thép cacbon nhanh gấp 10 lần kiểu cắt hỗn họp khí oxy nên kinh tế - Đe lại đuờng rãnh cắt nhỏ - Cat bang plasma làm mềm vật liệu gia công phuơng pháp khác - Đầu cat plasma cho nhiệt độ hồ quang lớn với nhiều nguồn khí có sẵn thục tế, luợng hầu nhu không hạn chế phuơng pháp 6.4.2 Nhược điểm - Be mặt bị nhám - Cấu trúc bề mặt bị phá hủy - Khi cắt đứt kim loại chiều dày tối đa chi tiết nhỏ cắt oxy hay oxy thuốc - Thiết bị phức tạp đắt tiền - Hệ điều khiển số phức tạp 6.4.3 Phạm vi ứng dụng - Plasma ứng dụng việc cắt vật liệu dẫn điện cứng, kim loại đặc biệt với tốc độ cao - ứng dụng rộng rãi plasma cắt thép khơng gỉ nhơm Ngồi cắt thép, hợp kim thép, titan, đồng hầu hết kim loại với tốc độ nhanh - Hồ quang plasma dùng để cắt lóp, cắt xiên, cắt hình đục lỗ - Khi thêm trang thiết bị đặc biệt, có the cat plasma nước - Công nghệ plasma sử dụng nhiều lĩnh vực tàu biển, hoá học, hạt nhân, tàu ngầm - Dùng việc phá bỏ, cắt vật liệu nước tàu ngầm - Cắt kim loại chịu nhiệt cao theo kích thước yêu cầu - Cắt đường biên đầu plasma gắn cấu tự động máy CNC hay máy tự động - Dùng chế tạo chi tiết máy ngành ô tô, đường sắt Trang 90 Các phương pháp gia công đặc biệt Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Ngọc Tuấn-Nguyễn Văn Tường,Các Phương Pháp Gia Công Đặc biệt, NXB ĐHQG TP.HCM-2007 [2] Trương Ngọc Thục, Các Phương Pháp Gia công mới, Trường ĐHSKT TP.HCM-1995 [3] Nguyễn Ngọc Đào, Hồ Viết Bình, Phan Minh Thanh, Cơ Sở Cơng nghệ chế tạo máy, Trường ĐHSKT TP.HCM-2004 [4] - TS Nguyễn Tiến Lưỡng, PGS TS Trần Sỹ Túy, TS Bùi Quý Lực Giáo trình sở kỹ thuật cắt gọt kim loại (Máy dụng cụ cắt gọt kim loại, phạm vi ứng dụng)— Nhà xuất giáo dục [5] - Brown James A., Advanced Machining Technology Handbook, McGraw-Hill Professional, 1998 Trang 91 ... 3.32 Gia cơng hoc bên với điện cực đặc biệt Hình 3.33 Gia cơng ren ỉỗ phương pháp EDM Trang 44 Các phương pháp gia công đặc biệt 3.3 Gia công tia lửa điện dây cắt 3.3.1 Nguyên lý gia công bản, phương. .. 10 Các phương pháp gia cơng đặc biệt Hình 2.5 Một sổ dạng đầu cắt (vịi phun) Nước Hình 2.6 Cấu tạo đầu cắt Hình 2.7 Hĩnh dạng tỉa nước khỏi vịi phun Trang 11 Các phương pháp gia công đặc biệt. .. (H.1.7) Khoảng cách từ miệng vịi phun bề mặt gia cơng khoảng từ 0,254-75/77/7/ Trang Các phương pháp gia công đặc biệt Hình 1.7 Khoảng cách gia cồng Quá trình tránh khỏi bề mặt gia công bị dịng