Thiết bị và dụng cụ
Hình 1.2 Sơ đồ khốimáy gia công dòng hạt mài bằng chân -
Hình 1.3 Sơ đồ của một máy giacôngdòng hạt mài.
Khí sau khi được lọc từ bình chứa sẽ được chuyển đến bộ trộn, nơi có chứa hạt mài mịn và được rung với tần số 5QHz Dòng khí mang hạt mài có kích thước từ 104-50p/77 sẽ được dẫn tới vòi phun để phun ra ngoài, với lượng tiêu thụ khoảng 0,6m3//7 Khoảng cách giữa đầu vòi phun và chi tiết gia công được điều chỉnh tùy theo mục đích gia công, trong khi tốc độ nạp hạt mài được kiểm soát bởi biên độ rung của bộ trộn Mối liên hệ chuyển động giữa vòi phun và chi tiết gia công được thiết lập thông qua cam chương trình và máy vẽ truyền, giúp điều khiển hình dáng và kích thước cắt Để bảo vệ môi trường, thiết bị dọn bụi cũng được gắn kèm.
Vòi phun phải làm bằng vật liệu cứng để giảm mài mòn, thường sử dụng wc
(các bít vonfram) và sapphire Tuổi thọ của vòi phun làm bang wc từ 124-30 giờ, còn
Hạt mài cần có hình dạng không đều với các cạnh ngắn và sắc bén, thay vì hình tròn Chúng thường được làm từ các vật liệu như oxit nhôm, silic, bicácbônát natri, đôlômit và thủy tinh Kích thước hạt mài thường nằm trong khoảng 104-50µm, với kích thước tối ưu từ 154-20µm Để đảm bảo hiệu quả gia công, các hạt mài cần đồng bộ về kích thước trong một lần sử dụng, vì hạt mài sau khi sử dụng có thể bị gãy, mòn và hư hỏng Việc sử dụng lại hạt mài đã mòn hoặc có kích thước nhỏ hơn không được khuyến khích, vì chúng có thể làm tắc vòi phun Lựa chọn loại hạt mài và kích thước hạt phụ thuộc vào từng nguyên công cụ thể.
Các thông số công nghệ
Các thông số cơ bản của gia công dòng hạt mài là:
- Áp suất ra của dòng hạtmài
- Tốc độ của dòng hạtmài
- Cỡ hạt và loại hạt mài
- Năng suất bóc vật liệu
Năng suất bóc vật liệu và chất lượng bề mặt phụ thuộc vào kích thước và khoảng cách vòi phun, cũng như các yếu tố như thành phần, độ bền và hình dạng của dòng hạt mài Bên cạnh đó, áp suất và tốc độ của khí cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ bóng bề mặt và tốc độ mòn vòi phun.
Năng suất bóc vật liệu (MRR) được tỉnh nhưsau:
Năng suất bóc vật liệu (MRR) được xác định bởi công thức MRR = %.z.d3.V312, trong đó năng suất này sẽ tăng theo tốc độ dòng hạt mài Tuy nhiên, khi đạt đến giá trị tối ưu, việc tăng tốc độ dòng hạt mài sẽ dẫn đến giảm năng suất bóc vật liệu Nguyên nhân là do tốc độ dòng khí giảm khi tốc độ dòng hạt mài tăng, làm tỷ số trộn tăng lên, từ đó giảm năng suất bóc vật liệu do năng lượng để mài mòn cũng giảm theo.
Tốc độ lượng hạt mài cần phải tương xứng với áp suất và lưu lượng dòng khí Thông thường, lưu lượng hạt mài dao động từ 20-24g/phút trên 7 Áp suất dòng khí điển hình là 0,24 INImm2 Tốc độ dòng hạt mài nằm trong khoảng từ 1504-300/7//S' Thành phần khí có ảnh hưởng đáng kể đến mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng khí.
Hình 1.5 diễn tả mối quan hệ giữa năng suấtbóc vật liệu và tỷ lệ trộn giữa dòng khívà dòng hatmài cũng nhutỷ lệ lun luợng dòng hạt mài.
Năng suất bóc vật liệu tăng khi khoảng cách từ miệng vòi đến chi tiết gia công được tăng lên đến một giá trị nhất định, sau đó giữ ổn định trong một khoảng cách nhất định trước khi giảm dần Phương pháp gia công này có năng suất bóc vật liệu tương đối nhỏ, cụ thể là Áữmglph và ISmn/lph.
Quan hệ giữakhoảng cáchtừmiệng vòi phun đến chitiết gia côngvà năng suất bóc vậtliệu đuợc thể hiện trên hình 1.6
Quá trình gia công không thể tránh khỏi hiện tượng bề mặt bị côn do dòng khí mang hạt mài bị lòe ra Hạt mài có khả năng găm vào bề mặt chi tiết, vì vậy cần thiết phải có hệ thống hút bụi phù hợp để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Nói chung, cácyếu tố ảnhhưởng đếnquá trình gia công là:
- Hình dạnghình học vết cắt.
- Tốc độ mòn của vòi phun.
Cácyếu tố trên bị ảnh hưởng bởi:
- Hạt mài: thànhphần, độ bền, kích cỡ, tỷ lệ luuluợng dòng hạt mài.
- Thành phần khí, áp suấtvàtốc độ dòng khí.
- Vòi phun: hình dạng hình học, vật liệu làm vòi phun, khoảng cách từ vòi phunđến chi tiết gia công, độ nghiêng làmviệc của vòi.
- Tẩy lớp oxit vànhững màng mỏngtạp chấttrên bề mặt.
- Làm sạchchi tiếtcó bề mặt không đều
Phương pháp gia công này hiệu quả cho các vật liệu kim loại cứng, giòn, hợp kim và phi kim loại như germani, silicon, thủy tinh, ceramic, và mica Mặc dù chi phí ban đầu thấp, nhưng năng suất bóc vật liệu lại không cao, có thể xảy ra hiện tượng cắt tản mát, dẫn đến độ chính xác không đảm bảo Ngoài ra, phương pháp này không phù hợp để gia công các vật liệu mềm.
1) Trìnhbàynguyênlý gia công bằng dòng hạt hài.
2) Nêu các thông số công nghệ khi gia công bằng dòng hạt mài
3) Vẽ sơ đồ khối vàtrìnhbày các thiết bị cơ bảntronggia công bằng dòng hạt mài
4) Trìnhbày các ứng dụng củagia công bằng dòng hạt mài
Úng dụng
GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC
Sau khi học xong chuông này học sinh có khả năng:
- Trình bàyđuợc nguyên lýgia công kim loạibằngtia nuớc.
- Biết đuợc các thông số làm việckhi gia công bằng tia nuớc.
- Xác định đuợc ứngdụng của quá trình gia công bằng tianuớc
Cắt bằng tia nước là một phương pháp sử dụng áp suất cao để cắt vật liệu, tạo ra các vết cắt hoặc rãnh có độ rộng khoảng 1mm Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt được là 1,5mm Phương pháp này còn được biết đến với tên gọi cắt bằng thủy động lực học Sơ đồ nguyên lý của quá trình này được thể hiện trong hình 2.1.
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên ỉỷ giacông bằng tia nước. Đầu tiên nuớc từthùng cấp nuớc đi qua bộ lọc và hòa trộn Sau đó nhờ ống dẫn
Thiết bị và dụng cụ
Máy cắt bằng tia nước gồm hai thành phần chính: bàn XYZ di chuyển đầu cắt trên vật liệu và máy bơm áp suất cao 400AY/G Với áp suất này, tia nước có khả năng cắt qua nhiều loại vật liệu như nhựa, gỗ, vật liệu lót sàn đàn hồi, cao su và các chất tương tự Đầu cắt được thiết kế với vòi có kích thước 6,35mm (1/4”) làm từ tinh thể sapphire, cho phép nước đi qua với áp lực gấp ba lần tốc độ âm thanh do máy bơm tạo ra Sự di chuyển của đầu vòi được điều khiển theo chương trình cài đặt trong máy vi tính, dựa trên bản vẽ của khách hàng.
Khi khách hàng cung cấp một bản vẽ, quá trình số hóa và vẽ lại sẽ được thực hiện bằng phần mềm CAD/CAM Tiếp theo, bản vẽ sẽ được chuyển đổi sang ngôn ngữ mà máy GC sử dụng tia nước có thể hiểu, thông qua một chương trình gọi là CAM.
Hình 2.2 Các hệmáy tiên biểnBENGAI và WOMA
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc các phần tử củahệ thống máy gia công bằng tia nước Các thiết bị chính gồm:
Hệ thong bơm tăng áp:
Nước sau khi được lọc sẽ được bơm với áp suất cao vào bộ tích trữ Hiện nay, hầu hết các máy cắt tia nước trên thị trường sử dụng bơm piston hướng trục.
Hình 2.4 Hệ thong bơm nước.
Hệ thống bơm yêu cầu chia đều lượng nước, với dòng nước xylanh cao hơn phụ thuộc vào sự khác biệt về đường kính và tỷ số thay đổi áp suất, tương ứng với tỷ số diện tích làm việc của hai xylanh trong bộ tăng áp Tỷ số này có thể thay đổi từ 1:10 đến 1:25, cho phép áp suất nước đạt tới 400 AY/V/ Trong máy tăng áp tác dụng kép, các máy đơn được nối trực tiếp và hoạt động luân phiên; khi một máy phân phối nước áp suất cao, máy kia sẽ được làm đầy Do tính nén của nước, 15% hành trình đầu tiên của piston được sử dụng để tạo áp lực và nén nước mà không phân phối thể tích, dẫn đến dao động áp suất và sai số khi đo bằng tia nước Các thành phần như đường ống, khớp nối và bộ phận phân phối nước cũng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tăng áp.
Bộ phận này nằm giữa bộ tích và đầu di động, yêu cầu kích thước của hệ thống phải có khả năng thay đổi Ở áp suất thấp, có thể sử dụng vòi cao su, nhưng thường thì ống thép cuộn bằng thép không gỉ được ưa chuộng hơn Đầu cuối của ống được nối với khớp xoay áp lực cao và các ống này được quấn bởi các bao bọc vệ để ngăn ngừa hư hại trong trường hợp ống bị thủng Ngoài ra, các van luân lượng cũng được sử dụng để giảm khả năng hư hại.
Vòi phun có đường kính từ 0,14 đến 0,4 mm, cần cung cấp áp suất lên đến 400AY/V và vận tốc phun đạt 900m/s để tạo ra tia nước đủ năng lượng cho quá trình cắt Lưu chất được tạo áp lực nhờ một bơm thủy lực Đầu phun bao gồm đai ốc hãm và vòi phun, trong đó đai ốc hãm làm bằng thép không gỉ, còn vòi phun có thể được chế tạo từ ngọc bích, hồng ngọc hoặc kim cương Việc sử dụng kim cương giúp kéo dài tuổi thọ vòi phun, tuy nhiên giá thành khá cao.
Những lun chất đuợc dùng rộng rãi trong GC bằng tia nuớc là các dung dịch polymer, vì chúng có xu huớng tạo thành một dòng kết dính.
Hình 2.5 Một sổ dạng đầu cắt (vòiphun)
Hình 2.6 Cấu tạo đầu cắt
Hình 2.7 Hĩnh dạng tỉanước ra khỏi vòiphun
Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của máy giacông bằngtỉa nước củahãng
Kiểu Áp lực tối đa
(l/ph) Đường kính lỗvòi phun tối đa (mm)
Các thông số công nghệ
Các thông số quan trọng trong GC bằng tia nước bao gồm khoảng cách giữa đầu vòi phun và bề mặt GC, đường kính lỗ vòi phun, áp suất nước và tốc độ cat Khoảng cách GC thường nhỏ để tia nước phân tán hiệu quả và đạt được hiệu suất tối ưu trước khi tiếp xúc với bề mặt.
Khoảng cách GC điển hình là 3,2mm Kích thước của lỗ vòi phun ảnh hưởng đến
Bảng2.2 Chiều dàycat và tốc độ ăn dao khỉ cat bằngtỉa nước.
Vật liệu Chiều dày cắt, mm Tốc độ ăn dao, m/ph
Đặc điểm, ưu điểm và phạm vi ứng dụng
Gia công bằng tia nước là một công nghệ tiên tiến, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và kiến trúc Phương pháp này hiệu quả phụ thuộc vào loại vật liệu, độ dày và độ phức tạp của đường cắt, mang lại sự chính xác và linh hoạt cho quá trình sản xuất.
Công nghệ cắt bằng tia nước mang lại lợi nhuận vượt trội so với các phương pháp gia công không truyền thống khác như cắt bằng tiện, tia plasma, tia laser hay tia lửa điện Phương pháp này có khả năng cắt những vật liệu khó xử lý bằng các công nghệ gia công thông thường, mở ra nhiều cơ hội mới trong sản xuất.
Nhữngthuận lợi củaPPGC này vượt ra xasự cạnh tranh về giá cả so với kỹ thuật
GC khác Gia công bằng tia nước cho phép GC những bề mặt khó khăn và phức tạp
Gia công bằng tia nước cho phép gia công các vật liệu tổng hợp và nhựa mà không bị ảnh hưởng bởi sai số nhiệt hoặc sự xuống cấp của chi tiết cơ khí Phương pháp này giúp tiết kiệm chi phí vì không cần đầu tư vào dụng cụ hay khuôn mẫu.
Cắt bằng tia nước là một phương pháp cắt lạnh và sạch, giúp loại bỏ hoàn toàn các vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt, khói độc, và hiện tượng phân lớp khi đúc Quy trình này cũng giảm thiểu ứng suất nhiệt, lớp biến cứng bề mặt, cũng như hiện tượng biến dạng của kim loại.
Dưới đâylà một số tính năng đặc biệt của PPGC bằngtia nước:
Quá trình sử dụng CAD/CAM kết hợp với vết cắt siêu nhỏ từ tia nước giúp tối ưu hóa việc sử dụng các vật liệu đắt tiền như titan, vật liệu tổng hợp và thủy tinh quang học Vết cắt hẹp cho phép đạt được lợi nhuận tối ưu nhờ vào khả năng lắp ráp với dung sai rất chính xác, lên đến ± 2,54/77/77 tùy thuộc vào loại vật liệu.
• Tỉnh lỉnh hoạt và nhanh chóng xác định đường biên của chitiết cần GC.
Các đầu dụng cụ cắt bằng nước tự động hóa có khả năng cắt theo mọi hướng, đảm bảo rằng các hình dạng phức tạp được thực hiện với độ chính xác cao.
Tia nước có thể GC rất tốt những vật liệu dễ gãy như thủytinh Với vậtliệu này khi GC bằng những phương pháp thông thường thìtỷlệ thất bạirất cao.
Cắt gọt không gây ảnh hưởng nhiệt hay biến dạng bề mặt, điều này khác biệt với các phương pháp cắt gọt khác Do đó, các công đoạn tiếp theo như xử lý nhiệt, mài hoặc gia công lại không cần thiết Hình dạng và kích thước cuối cùng được đạt được chỉ sau một lần gia công cắt gọt.
Quá trình GC bằng tia nước có thể sản xuất hàng loạt do khả năng lập lại của các phần mềm CAD/CAM.
Phương pháp mới giúp giảm thiểu hư hỏng trong quá trình cắt PPGC truyền thống Khác với các phương pháp cũ, nơi tồn tại ứng suất dư khiến một số góc không thể cắt được, phương pháp này cho phép cắt được các góc một cách hiệu quả.
Dòng nước cắt hẹp giúp giảm bề rộng đường cắt, tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu Điều này đặc biệt quan trọng trong việc cắt các vật liệu đắt tiền như kevlar và teflon, góp phần giảm thiểu chi phí sản xuất.
Gia công bằng tia nước là giải pháp thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp gia công phức tạp như laser hay plasma Quá trình này diễn ra sạch sẽ, không thải ra các hạt mài, bụi bẩn hay hóa chất gây ô nhiễm không khí Phương pháp này còn sử dụng các vật liệu ăn mòn mà không gây ô nhiễm và xả thải khó khăn như các phương pháp gia công khác.
- Chất lượng vết cắtrất cao.
- vết cắt có thể bắt đầu ở bất kỳ chỗ nào mà không cần khoan mồi trước và có thể cắt được các vật liệucán mỏng.
- Có khảnăng tự động hóa và người máyhóa rất cao.
- Không có chất hóa học nhưcắtbằng hạt mài (AWJC).
- Thích ứng với hệ thống CAD/CAM.
- Gia công đạt độ chính xác cao, bề mặt phang.
- Có thể cắt bấtcứ vật liệu nào.
- ítlãngphí chất thải sau GC.
- Môi trường GC trong sạch.
Gia công cắt bằng tia nước (PPGC) là một công nghệ tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như hàng không, thực phẩm, nghệ thuật đồ họa, ôtô, giày dép, cao su, nhựa, đồ chơi, gỗ và nghệ thuật thực phẩm Phương pháp này cho phép cắt và thái mỏng sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả Để thực hiện quá trình cắt, người ta thường sử dụng các dung dịch chất lỏng như cồn, glycerin hoặc dầu ăn, nhằm tăng cường hiệu suất và chất lượng cắt.
2.4.3 Một số sản phẩm tiêu biểu
Hình 2.8 Một sổ sán phâm tiêu biêu
1) Trìnhbàynguyênlý gia công bằng tia nước.
2) Hãy trình bàycác thiếtbị cơbảntrong gia công bằng tia nước.
3) Nêu các thông số công nghệ khi gia công bằng tia nước.
4) Trìnhbày các ứng dụng củagia công bằng tianước.
5) Trìnhbày ưu nhược điểmcủa gia công bằng tia nước.
6) Hãy so sánh giữagia công bằng tia nước và gia công bằng dòng hạt mài.
Gia công tia lửa điện dùng điện cực thỏi (điện cực nhúng)
Hình 3.11 Nguyên lýgia công EDM điện cực thỏi
Hình 3.12 Hĩnh dáng của dụng cụ và chỉ tỉêt trước khỉ giacông (a) và sau khi gia công (b)
Quá trình gia công EDM sử dụng điện cực thỏi hoạt động với điện áp từ 5Ơ4-300E và cường độ dòng điện trung bình từ 30-M500A, có khả năng đạt công suất lên đến 500.000T7z Kết quả của quá trình này là một lượng vật liệu được bóc ra khỏi chi tiết gia công, trong khi điện cực dụng cụ sẽ chép hình dáng của nó lên bề mặt chi tiết.
Máy EDM điện cực thỏi có các loại sau:
Máy truyền thống là loại máy đầu tiên sử dụng điện cực thỏi và điều khiển bằng tay, có kết cấu đơn giản nhưng công nghệ và độ chính xác kém Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân, và máy chỉ có khả năng gia công các hình dạng hình học đơn giản Hiện nay, loại máy này ít được sử dụng do hiệu quả thấp.
Máy EDM điện cực thỏi ZNC là loại máy điều khiển chương trình số (NC) với tính năng tự động hoàn toàn cho trục Z Các chuyển động theo các trục khác vẫn cần được thực hiện bằng tay.
X, Y phải thực hiện bằngtay Loại này có kếtcấu đơn giản Khả năng công nghệ vàđộ chínhxác của các máy ZNC cao hơn máy EDM truyền thống.
- Máy EDMđiện cực thỏi CNC
Máy EDM điện cực thỏi CNC có khả năng tự động hóa hoàn toàn các chuyển động theo các phương X, Y, Z, cho phép gia công các bề mặt phức tạp mà các loại máy khác không thể thực hiện Với công nghệ tiên tiến và độ chính xác gia công cao, loại máy này mặc dù có giá thành đắt nhưng được sử dụng phổ biến nhờ hiệu quả cao mà nó mang lại.
1- Bom tuần hoàn 2- Bộ lọc
3- Động cơ servo trục X 4-Thùng chứa và xử lý chất điện môi
5- Ông tháo chất điệnmôi 6- Đường ống cấp chất điệnmôi 7- Điệncực
9- Thùng chất điệnmôi 10- Đầu mang điện cực 11- Động cơ servo trục z 12- Hệ thống điều khiển servo 13- Màn hình
14- Máy phát xung 15- Tủ điện
16- Động cơ servo trục Y 17- Khe hở phóng điện 18- Bàn trượt Y
Hình 3.14Máy EDM điệncực thỏi CNC 19- Bàn trượt X
Nói chung, các máy EDM điện cực thỏi NC, CNC có baphần chính sau:
- Phần cơ khỉ (máy chỉnh), bao gồm:
+Hệ thống điều khiểnquá trình phóng điện.
+Hệ thống điều khiển NC, CNC.
- Cụm dung dịch điện môi.
Khung máy cần có độ cứng vững cao và khả năng hấp thụ rung động tốt Hệ thống lắp điện cục phải đảm bảo giữ vững vị trí của điện cục, đồng thời chống lại áp lực cao từ dòng chảy dung dịch điện môi để tránh hiện tượng lệch điện cục.
Hệ thống đo đường thẳng được lắp đặt trên các bàn trượt của máy, giúp xác định vị trí hiện tại của điện cục Đây là một hệ thống đo lường không tiếp xúc, sử dụng công nghệ quang học và điện tử.
Các động cơ servo trong máy EDM cung cấp chuyển động vô cấp cho các trục máy, với mỗi bàn trượt trên các phương X, Y, Z được trang bị động cơ riêng để điều khiển chuyển động quay cho trục vít me - đai ốc bi Kết hợp với bộ điều khiển, các chuyển động này hoàn toàn tự động, trong đó trục Z thường do đầu máy đảm nhiệm Các trục có khả năng dịch chuyển đồng thời theo lệnh điều khiển để xác định vị trí hoặc thực hiện gia công Mỗi động cơ được trang bị bộ khuếch đại quay trong khoang điều khiển để cung cấp dòng điện cần thiết, với các động cơ servo có thể là một chiều hoặc xoay chiều.
Hệ thống điều khiển là bộ não của máy CNC, chịu trách nhiệm sắp xếp các trình tự cần thiết cho quá trình gia công Nó điều khiển chuyển động của động cơ, tính toán các chuyển động của bàn trượt và điều khiển dòng điện gia công cũng như việc mở và đóng các van cung cấp chất điện môi Tất cả các chức năng điều khiển và kiểm tra trong máy CNC đều được thực hiện bởi hệ điều khiển, trong đó người vận hành nhập chương trình gia công Hệ thống còn bao gồm xung bấm giờ để ngắt dòng, bộ phận tắt dòng điện tử và máy giới hạn dòng điện để đảm bảo an toàn trong quá trình gia công.
Hình 3.15 Sơ đồ khối máyphát xung
Hệ thống máy phát xung theo kiểu Lazarenko, như trình bày trong Hình 5.16, đã được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản và châu Âu trong lĩnh vực EDM và hiện nay vẫn tiếp tục được sản xuất và ứng dụng toàn cầu Chúng chủ yếu phục vụ cho các yêu cầu gia công bề mặt tinh và khoan lỗ nhỏ, chính xác Đặc biệt, độ cứng của vật liệu không phải là yếu tố quyết định cho khả năng gia công bằng EDM, cho phép các điện cực kim loại hoặc than chì mềm gia công các dụng cụ cứng bằng thép hoặc cacbua vonfram Phương pháp EDM còn cho phép sử dụng các điện cực có đường kính nhỏ đến 0,1mm với tỷ số chiều dài và đường kính lỗ lên đến 400:1, mang lại nhiều lợi ích trong gia công chính xác.
• Yêu cầu củavật liệu điện cực
Lựa chọn vật liệu điện cực hợp lý là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và tính kinh tế thông qua năng suất và độ hao mòn trung bình của điện cực Đáng chú ý, giá thành của điện cực có thể chiếm tới 80% chi phí gia công.
Những yêu cầu đối với vậtliệu điện cực là:
- Cỏ tính dẫn điện tốt.
- Có tính dẫn nhiệt cao, nhiệt độ nóng chảy vànhiệtđộ sôi cao.
- Có độ bền cơ học cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ.
- Có độ bền ăn mòn cao.
- Có khối luợng riêng nhỏ để có thể chế tạo các điên cục lớn nhung không quá nặng làm ảnh huởng đến khảnăng chịu tải của máy.
- Dễ gia công, giáthành rẻ.
Trên thực tế, không có vật liệu nào hoàn toàn đáp ứng được tất cả các yêu cầu cần thiết, vì vậy việc lựa chọn vật liệu cần được xem xét kỹ lưỡng Thông thường, trong gia công thô và gia công tinh, người ta thường sử dụng các loại vật liệu điện cụ khác nhau.
Trong gia công thô, vật liệu phổ biến được sử dụng là điện cục đồng thau và zamak Đối với các chi tiết có tiết diện nhỏ, đồng và vonfram là lựa chọn ưu tiên Tại các nhà máy lớn, dura thường được sử dụng để đảm bảo hiệu quả sản xuất.
Khi gia côngtinh thì dùng điện cục đồng, cũng có truờng họp dùng điện cục thép (đặc biệt khi dùng làm dao cắt).
Vật liệu kim loại được sử dụng làm điện cực bao gồm đồng đỏ, đồng-volfram, bạc-volfram, đồng thau, volfram, nhôm, molipden, hợp kim cứng và thép Trong số này, đồng đỏ và đồng-volfram là hai loại phổ biến nhất, trong khi các vật liệu như volfram, nhôm, molipden, hợp kim cứng và thép thường chỉ được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt.
Đồng đỏ có thành phần chính là 99,92% Cu và tối đa 0,005% O2, với khối lượng riêng 8,9g/cm3 và điểm nóng chảy 1083°C Nó phù hợp cho gia công thép, có thể được sử dụng nhiều lần trong quá trình gia công thô và tinh Mặc dù đồng đỏ dễ gia công cơ, nhưng khó hơn so với graphit Để tránh biến dạng do giải phóng ứng suất nội, điện cực bằng đồng đỏ cần được khử nội ứng suất Loại điện cực này có lượng bóc vật liệu cao và độ mòn thấp, nhưng nhược điểm lớn là trọng lượng nặng và độ giãn nở nhiệt cao, khiến nó không phù hợp cho việc chế tạo điện cực lớn Khi làm các điện cực mảnh, đồng đỏ thường không ổn định về hình dáng do dễ bị biến dạng.
Đồng-volfram là một hợp kim chứa 65-80% tungsten (W) và có khối lượng riêng từ 15,4-18 g/cm³, với điểm nóng chảy khoảng 2500°C và điện trở riêng từ 0,0454-0,055 Qmm²/m Vật liệu này được sản xuất thông qua công nghệ luyện kim bột Điện cực làm từ đồng-volfram có khả năng chống ăn mòn tốt nhờ vào sự hiện diện của tungsten, trong khi tính dẫn điện cao nhờ vào đồng (Cu) Mặc dù chất lượng bề mặt khi gia công bằng đồng-volfram tương đương với đồng điện phân, nhưng đồng-volfram có độ bền cao hơn Tuy nhiên, việc chế tạo đồng-volfram khó khăn hơn và lượng bóc vật liệu cao hơn so với đồng đỏ Nhược điểm lớn nhất của đồng-volfram là khối lượng riêng lớn và chi phí sản xuất cao.
Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của gia công bằng tia lửa điện
Gia công tia lửa điện chủ yếu để gia công những vật liệu khó gia công mà các PPGC cực rấtmảnh.
- Gia công các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỷ số chiều dài trên đường kính lớn.
- Do không có lực cơ học nên có thể gia công hầu hết các loại vật liệu dễ vỡ, mềm mà không sợ bị biến dạng.
- Do có dầu trong vùng gia công cho nên bề mặt gia công đượctôitrong dầu.
- Phôi và dụng cụ (điện cực) đều phải dẫn điện.
- Máy gia công làm việc chậm vì vậyphôi thườngphải giacông thô trước.
- Do vùng nhiệt độ tại vùng làm việc cao nên gây biến dạng nhiệt.
PPGC tia lửa điện là phương pháp gia công kim loại không giới hạn độ cứng, cho phép tạo hình tự động các rãnh cắt và rãnh thoát hình côn Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc gia công các chi tiết bộng có hình dạng phức tạp với độ chính xác cao.
Phương pháp thay thế cho cắt gọt truyền thống có thể được áp dụng trong những trường hợp không kinh tế hoặc không đạt độ chính xác mong muốn Nó giúp loại bỏ các quy trình trung gian như nhiệt luyện, nắn thẳng, sửa bavia, lắp chi tiết và dao, từ đó tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
Có thể sử dụng phương pháp này trong một số trường hợp sau:
1 Biến cứng bềmặt chi tiết làm tăng khả năng mài mòn.
2 Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng.
3 Các lưới sàng, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng điện cực rất mảnh.
4 Mài phang, mài tròn, mài sắc, hoặc làmrộng lỗ.
5 Gia công các lỗ có đường kính nhỏ 00,15 mm của các vòi phun cao áp có
7 Gia công khuôn mẫu và các chi tiết cần độ chính xác cao bằng vật liệu hợp kim cứng
1) Trìnhbàybảnchất của quá trình phóng tialửa điện.
2) Hãy nêu các buớc quá trình gia công tia lửađiện.
3) Trình bày nguyên lý gia công của quá trình gia công tia lửa điện dùng điện cục thỏi.
4) Trình bày các thông số công nghệ của quá trình gia công tia lửa điện dùng điện cục thỏi.
5) Trình bày khả năng công nghệ của quá trình gia công tia lửa điện dùng điện cục thỏi.
6) Trìnhbàynguyênlý gia công của quá trình giacông tia lửa điện bằng cắt dây.
7) Trìnhbày các thông số công nghệ củaquá trình gia công tia lửa điện bằng cắtdây
8) Trìnhbày khả năngcông nghệ của quá trình gia công tia lửađiện bằng cắt dây
9) Hãy so sánh giữa gia công công tia lửa điện dùng điện cục thỏi và gia công tia lửa điện bằng cắt dây.
GIA CÔNG BẰNG TIA ĐIỆN TỬ
Sau khi học xong chưong này học sinh có khả năng:
- Trình bày được nguyên lýgia công kim loạibằngtia điện tử.
- Trình bày được các thông sốlàm việc khi gia công bằng bằng tia điện tử.
- Xác định được ứngdụng của quá trình gia công bằng bằng tia điện tử.
Gia công tia điện tử (EBM) là một quy trình gia công nhiệt, chuyển đổi động năng của điện tử thành nhiệt năng với hiệu suất cao Công nghệ này cho phép gia công các chi tiết khó mà phương pháp truyền thống không thực hiện được EBM không chỉ có khả năng loại bỏ vật liệu mà còn có thể hàn các chi tiết lại với nhau, mở ra một lĩnh vực mới trong gia công Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc gia công các vật liệu cứng, chịu lửa và vật liệu gốm.
PPGC sử dụng chùm tia điện tử để tập trung năng lượng tại bề mặt gia công, từ đó làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu Nguyên lý hoạt động của chùm tia điện tử được minh họa trong hình 4.1 Hệ thống này yêu cầu cáp cao áp với điện áp 30kV, DC.
1- Catot 2- Anot 3- Van 4- Chùm điện tử 5- Thấu kính điện từ để hội tụ chùm tia 6- Cuộn dây điều khiển chùm tia] 7- Bơm chân không cao
8- Chi tiết gia công9- Bàn máy
Chùm tia điện tử được phát ra từ catot 1, làm bằng vật liệu w hoặc Ta, được nung nóng đến 2.500°C Các điện tử di chuyển với tốc độ cao, hội tụ qua thấu kính điện từ thành vệt nhỏ trên bề mặt gia công Chi tiết gia công được đặt trong buồng chân không với áp suất khoảng 10^-3 đến 10^-6 mmHg Tốc độ chùm tia đạt 50-80% tốc độ ánh sáng, với thời gian xung từ 0,054 đến 100 ns Khi va chạm vào bề mặt gia công, các điện tử chuyển động năng thành nhiệt năng, làm nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu, tạo ra hốc có đường kính nhỏ và sâu với hiệu suất biến đổi năng lượng khoảng 65% Chùm tia điện tử có thể được điều chỉnh hướng để gia công các hình dáng phức tạp với chất lượng cao, tương tự như phương pháp tạo chùm tia sáng bằng hệ thống quang học.
Trong hệ thống quang học, khi chiếu sáng tại tiêu cự của thấu kính, sẽ tạo ra chùm tia sáng song song Nếu chùm tia này đi vào thấu kính khác, nó sẽ hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính thứ hai Để điều chỉnh điểm tập trung, có thể thay đổi vị trí của thấu kính thứ hai Tương tự, khi nung dây kim loại, điện tử phóng ra sẽ được điều khiển bởi điện trường của tấm điện cực đầu tiên, sau đó được gia tốc nhờ hiệu điện thế giữa hai tấm điện cực Súng điện tử trong chân không sẽ phóng ra chùm tia điện tử được hội tụ nhờ cuộn dây điện từ, tương đương với lăng kính Nếu thiết kế nguồn phóng điện và hệ thống hội tụ tốt, có thể tạo ra chùm tia rất nhỏ với năng lượng cao tại tiêu cự.
52
Công nghệ và thiết bị
Nguyên công hàn thục hiện sử dụng chùm tia điện tử với kích thước tiết diện ngang lớn, dao động từ vài chục đến vài trăm micromet Tuy nhiên, mật độ năng lượng của chùm tia này lại ở mức nhỏ.
Chùm tia điện tử 1054-107JT7cm2 có công suất tiêu hao năng lượng lớn, lên tới vài trăm đến vài chục kW, được sử dụng để hàn các mối ghép giữa các chi tiết bằng cách đốt nóng đến nhiệt độ nóng chảy Đường hàn được tạo ra bởi chùm tia điện tử sạch, không bị lẫn khí, oxit và tạp chất So với các phương pháp hàn khác, năng lượng hàn của chùm tia điện tử thấp hơn do sự tập trung năng lượng cao tại tiêu điểm.
Thiết bị hànchùm tỉa điện tử dùngkhỉhàn kim loại có thể đượcchia làmhai loại:
- Thiết bị điện áp thấp, làm việcvới điện áp giatốc đến 154-20£K
- Thiết bị điện áp cao, làm việcvới điện áp giatốc đến 1504-200£K.
Cấu trúc của thiết bị hàn chùm tia điện tử tương tự như các thiết bị chùm tia điện tử trong các công nghệ khác Một số bộ phận quan trọng của thiết bị bao gồm buồng hàn, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình hàn.
Hệ thống quan sát Màng chắn quang học
Chi tiết gia công ê= Van khí vào
Cuộn dây làm lệch tia Ẹ ỉ!
Nguồn phát xạ Điện cực xê dịch được Anốt
—_ Đến hệ thống chân không
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý máy hàn bằngtỉa điện tử
Buồng chân không không chỉ thiếu hệ thống dẫn nước làm mát mà còn không có hệ thống cung cấp năng lượng cho catot và hệ thống tạo từ trường Đặc biệt, buồng được thiết kế với các cửa chuyên dụng để đưa các chi tiết gia công và dụng cụ phục vụ cho quá trình công nghệ vào Bên cạnh đó, xung quanh buồng còn được trang bị các dụng cụ tạo độ chân không ở các vị trí khác nhau, đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Chiều sâu lớp kim loại bị chảy lỏng khi hàn bằng chùm tia điện tử có thể gấp 20 lần bề rộng vết hàn Điều này cho phép khả năng bám chắc ở vùng có vệt hàn mỏng 1,5mm không vượt quá 400°C, giúp hạn chế ảnh hưởng đến biến dạng.
Khi hàn bằng chùm tia điện tử, không cần thiết phải sử dụng thiết bị bảo vệ khỏi tác hại của tia Röntgen đối với mối hàn có kích thước lớn hơn 1mm Tuy nhiên, đối với mối hàn nhỏ hơn 1mm, điều kiện kỹ thuật trở nên phức tạp hơn, do đó cần có thiết bị phòng tránh tia Röntgen.
Hàn kim loại bằng tia điện tử sử dụng năng lượng ít hơn so với các phương pháp hàn khác nhờ khả năng tập trung năng lượng vào vị trí cần hàn Kích thước mối hàn có thể đạt khoảng ỈOmm, dẫn đến mật độ năng lượng lên tới 10^7-10^9 R7cm2, cao hơn nhiều so với hàn hồ quang (mật độ khoảng 10^3-10^5 R7cm2) và hàn hơi (mật độ tương tự).
Khoan bằng tia điện tử, được phát triển bởi Karl-Heinz Steigerwald vào đầu thập niên 50, là phương pháp khoan lỗ trên chân kính đồng hồ cơ khí Quá trình này tương tự như hàn bằng tia điện tử, nhưng khác biệt ở chỗ sử dụng xung electron năng lượng cao Chùm tia điện tử dạng xung tạo ra sự tương tác đặc biệt với vật liệu, làm tăng năng lượng nhiệt tập trung theo hàm mũ, vượt trội hơn so với chùm tia liên tục.
Có hai kỹ thuật được dùngkhi khoanbằng tia điện tử:
- Kiểu khoan môt lần ban (One-shot drilling)
Phương pháp này sử dụng một xung duy nhất để làm bốc hơi vật liệu, tạo thành lỗ xuyên qua toàn bộ chiều dày Để tăng hiệu quả, có thể sử dụng một tấm lót đặc biệt đặt dưới chi tiết Khi chùm tia khoan xuyên qua vật liệu và tiếp xúc với tấm lót, tấm này sẽ tương tác với chùm tia, tạo ra một lượng khí lớn với năng lượng cao, đẩy kim loại nóng chảy ngược lại, để lại một lỗ sạch với lớp kết tinh nhỏ.
- Kiểu khoanbằngnhiều xung (Multiple-pulse drilling)
Kiểu khoan này cho phép tạo ra những lỗ nhỏ với độ chính xác cao, bằng cách sử dụng các xung nối tiếp nhau để bóc vật liệu cho đến khi đạt được chiều sâu mong muốn Kỹ thuật này cũng có thể khoan các lỗ không thông với kích thước từ 0,025 đến 1mm Trong quá trình khoan, năng lượng chùm tia có thể được điều chỉnh hướng hoặc chi tiết gia công có thể di chuyển theo trục mong muốn, nhờ vào hệ thống điều khiển máy tính như CNC hoặc cơ cấu quay CNC Các thành phần chính bao gồm lăng kính Wehnelt, chùm tia điện tử, chi tiết gia công và bàn máy.
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lýkhoanbằng tia điện tử
1- Lăng kính Wehenelt 2- Hệ làmlệch tiatheo tọa độ X
-y 3- Tia điện tử 4- Rãnhchữ thập được phay 5- Chitiết gia công
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý phay bằngtỉa điện tử
Thiết bị khoan và phay tương tự như thiết bị hàn, với nguồn điện áp tối đa cho khoan tia điện tử đạt từ 604-150£F Công suất tiêu hao chỉ vài chục watt, trong khi mật độ năng lượng khoảng 10^7 - 10^9 J/cm² Dung sai độ lệch của điểm mà tia điện tử phóng đến ảnh hưởng đến dao động cho phép và sự ổn định cần thiết của điện áp nguồn.
Trong thiết bị khoan và phay, đường kính tia điện tử thường nhỏ hơn IOp/77, dẫn đến dao động điện áp tối đa cho phép là l/1034-l/104 của điện áp định mức Để đáp ứng yêu cầu này, hệ dao động có tần số từ 304-1 MHz và bộ khuếch đại điện áp được sử dụng Phương pháp này có lợi vì nội trở của nguồn dao động tăng theo hàm mũ với cường độ dòng điện phụ tải đã cho Trong trường hợp xảy ra sự cố, sẽ không có dòng điện ngắn mạch kéo dài, giúp bảo vệ thiết bị và ngăn ngừa tai nạn chết người.
Để khoan, cần tập trung chùm tia vào một điểm, trong khi cắt hoặc phay thì bàn máy phải di chuyển Nếu đường kính của tia tăng lên, có thể gia công lỗ hoặc rãnh lớn hơn Trong quá trình khoan, người ta thường sử dụng bàn tọa độ trong chân không, cho phép đặt nhiều vật gia công ở khoảng cách nhất định Mặc dù có thể làm lệch tia điện tử khi khoan các lỗ cách nhau, nhưng đường tâm của lỗ sẽ không thẳng góc với mặt phẳng.
Chế độ gia công ở độ chân không không cao chỉ được áp dụng trong những trường hợp đặc biệt Trong quá trình vận hành máy, có thể sử dụng hai chế độ khác là chế độ chân không trung bình (ỒẠ-C3PÒ) và chế độ không chân không Áp suất trong buồng làm việc của chế độ chân không trung bình được duy trì trong khoảng 10.
25mmHg (torr) Neu áp suất nhỏ hơn 1 torr thì gọi là chân không “mềm ”, giữa
1 và 25 torr được gọi là chân không h(mm)
Cỏ hai dãy công suất trong gia công chùm điện tử bao gồm dải công suất thấp và dải công suất cao Dải công suất thấp được sử dụng để hàn, khoan, và cắt các lá kim loại mỏng với độ chính xác cao và tinh tế Trong khi đó, dải công suất cao phục vụ cho việc hàn và cắt với yêu cầu năng suất cao hơn, nhưng độ chính xác thấp hơn.
Đặc điểm và phạm vi ứng dụng
- Phốihọp khoảngcách tác dụng của tia điện tửvới điện áp làm giatốc điện tử.
- Bảo đảm điều khiển và dẫn tia điện tử theo yêu cầu gia công.
- Có thể gia công bất kỳ vật liệu nào.
- Mật độ công suất lớn.
- Gia công chính xác do khả năng tự hãm của điện tử trong một lóp mỏng vật liệu.
- Có thể điều chỉnh tức thời cường độ dòng điện và vị trí của tiađiện tử.
- Bảo đảm sạch bề mặt hóa học nhờ gia công trong buồng chân không.
- Không ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu vì vùng ảnh hưởng nhiệt cực kỳ bé, ở điểm cách nơi gia công khoảng 0,0254-0,ữ5mm vẫngiữở nhiệt độ phòng.
- Năng suất cao Có thể khoan được 2.000 lỗ/1 giây trên tấmkim loại mỏng.
- Có thể tạo được những lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết ở nhiều góc độ khác nhau.
- Chỉ có thể gia công trong buồng chân không, kích thước chi tiết gia công hạn chế.
- Giá thành tương đối cao.
- Có thể gây nguy hiểmdo tiaphóng xạ Rơnghen.
Gia công bằng tia điện tử cho phép xử lý nhiều loại vật liệu có cấu trúc như thép, vonfram, platin, tantal, môlipden, silic, germani, grafit, kim cương, nhôm, oxit nhôm, sứ, thủy tinh và thạch anh Phương pháp này có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực cơ khí chính xác, hàng không và nhiều ngành khác.
Ứng dụng gia công màng mỏng có thể được thực hiện rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí, với tỷ lệ giữa đường kính và độ sâu từ 1:10 đến 1:20 Phương pháp này cho phép gia công các lỗ có đường kính lên đến một kích thước nhất định, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong ngành công nghiệp.
0,05mmvới tỷ số chiềusâu trên đường kính lỗ lớn lên đến200:1.
Các mối hàn sâu và hẹp có thể được thực hiện trong một hành trình đon, như hàn giáp mối thép cacbon rộng 3mm, sâu 150/77/77 với tốc độ hàn 20mm/ph Việc tập trung năng lượng tại một vùng hẹp giúp chi tiết không bị co rút hay méo Hàn trong chân không đảm bảo mối hàn có độ tinh khiết cao nhất, không rỗ khí và không bị oxy hóa.
Kim loại khác nhau có thể được hàn lại với nhau hoặc với hợp kim khác, chẳng hạn như đồng với nhôm hoặc thép với thép Việc nối các tấm lá kim loại mỏng với mặt bích, hộp điện tử nhạy với nhiệt, cũng như các kim loại hoạt tính như Ti, Zr, Ta đều không gặp khó khăn Ngoài ra, hàn nhôm đúc áp lực và hợp kim magiê cũng không phải là vấn đề.
Ngoài việc gia công kim loại, PPGC tia điện tử còn hiệu quả với các vật liệu dẫn điện kém như kính và gốm Trong quá trình gia công, nhiệt độ tăng cao có thể gây ra sự giãn nở nhiệt lớn, vì vậy cần nung nóng chi tiết trước khi tiến hành gia công để tránh tình trạng rạn nứt.
1) Trìnhbàynguyênlý gia công bằng tiađiện tử.
2) Hãy trình bàycác thiếtbị cơbảntrong gia công bằng tia điện tử.
3) Nêu các thông số công nghệ khi gia công bằng tia điện tử.
4) Trìnhbày các ứng dụng củagia công bằng tia điện tử.
5) Trìnhbày ưu nhược điểmcủa gia công bằng tiađiện tử.
GIA CÔNG BẰNG TIA LASER
Sau khi học xong chưong này học sinh có khả năng:
- Trình bày được nguyên lýgia công kim loạibang laser.
- Trình bày được các thông sốlàm việc khi gia công bang bang laser.
- Xác định được ứngdụng của quá trình gia công bằng bằng tia laser
Gia công bằng chùm tia laser là một phương pháp gia công nhiệt, trong đó năng lượng laser được tập trung vào một khu vực nhỏ, làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu Máy gia công laser được ứng dụng rộng rãi trong các quy trình như khoan, xẻ rãnh, cắt và tạo hình vật liệu.
Nguyênlýlàm việc của máy phát laser dùng thanhhồng ngọc làm chất kích thích sự phát xạ photon cưỡng bức được trình bày trong hình 5.108.
1- Thanh hồng ngọc (môi trường hoạt tính); 2- Nguồn ánh sáng kích thích 3- Buồng cộng hưởng; 4- Gương phản xạ toàn phần; 5-Gương phảnxạ bán phần
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động củalaser
Hồng ngọc tổng họp được sản xuất từ oxit nhôm nóng chảy, kết hợp với 0,044-0,05% nguyên tử crôm hóa trị 3 Nguyên tử crôm này ở trong trạng thái tĩnh giả và chỉ trở về trạng thái cơ sở ban đầu khi bị tác động bởi photon.
Chiều dài sóng photon bức xạ khi nguyên tử chuyển từ trạng thái bền giả sang trạng thái cơ sở tương ứng với chiều dài sóng ánh sáng, cho phép quá trình chuyển trạng thái này diễn ra nhờ đèn phát xung Trong chùm kích thích tia laser, chỉ cần một nguyên tử chuyển từ trạng thái bền giả sang trạng thái cơ sở và phát xạ photon là đủ để kích thích các nguyên tử bền giả khác chuyển trạng thái.
Toàn bộ quá trình phát laser diễn ra trong hai giai " đoạnnhư được mô tả trong hình 5.2 Ba đường ngang trong / "
, w , 1Ẵ ' Cơsở / Photon hình biêu diênba mứcnăng lượng của vật chât, các mũi tên - - biểu diễn khả năng chuyển đổi của chúng Hình 5.2
Khi nguyên tử được kích thích bởi năng lượng ánh sáng lượng tử có tần số tương ứng với tần số chuyển trạng thái, chúng sẽ chuyển trạng thái và phát ra ánh sáng Trạng thái bền giả của nguyên tử là yếu tố quyết định trong quá trình phát laser Quá trình kích thích nguyên tử crôm trong hồng ngọc diễn ra thông qua ống phóng ánh sáng, kết hợp với sự chóp sáng từ nguồn cung cấp, khiến nguyên tử quay trở lại trạng thái dừng cơ sở và phát ra photon Sự phát xạ này tạo ra luồng ánh sáng photon đồng nhất về tần số Khi luồng ánh sáng này được phản xạ nhiều lần qua các gương ở hai đầu thanh hồng ngọc, nó tạo ra tia laser với ánh sáng đơn sắc, đồng pha và cùng chiều Photon tác động lên các nguyên tử kích thích, khiến chúng chuyển trạng thái và phát ra năng lượng dưới dạng dao động điện từ Một phần năng lượng bị tản ra, trong khi phần còn lại được định hướng thành các photon song song với trục dọc của thanh hồng ngọc, tạo ra phản ứng dây chuyền Luồng ánh sáng này, sau nhiều lần phản xạ, trở thành ánh sáng công suất cao và có thể được tập trung vào một diện tích nhỏ khi sử dụng thấu kính Tại tiêu điểm này, nhiệt độ có thể đạt đến 8.000°C trong khoảng thời gian ngắn Bán kính nhỏ nhất của diện tích tập trung ánh sáng được xác định theo chiều dài sóng, với điều kiện đường kính của thấu kính phải phù hợp.
5.2 Thiết bị và dụng cụ
5.2.1 Phân loại máy phát laser
Có the chia laser thành ba loại chính sau: laser ran, laser khí, laser bán dẫn và laser lỏng.
Trong laser rắn, môi trường hoạt tính là chất rắn, trong đó khối lượng cơ bản không trực tiếp tham gia vào quá trình phát xạ cưỡng bức Quá trình này xảy ra nhờ sự hiện diện của một lượng nhỏ nguyên tử tích cực, chiếm tỷ lệ từ 0,014-10% Các vật liệu chất rắn thường được sử dụng để kích thích bao gồm florua đất kiềm, vonfram đất kiềm, molipden đất kiềm, hồng ngọc tổng hợp, ytri-nhôm-granat (YAG) và Neodim-ytri-nhôm-granat (Nd:YAG) Tạp chất tích cực trong các chất này đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của laser.
Laser rắn có nhược điểm là hiệu suất thấp, chỉ đạt khoảng 54-70% Mặc dù vậy, với kích thước gọn gàng, laser rắn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thông tin liên lạc, truyền hình, công nghiệp, y tế và quân sự.
Môi trường hoạt tính của laser bán dẫn bao gồm các loại bán dẫn như N, P, gecmani, silic và axenit gali Laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn so với các loại laser khác, lý thuyết cho thấy hiệu suất có thể đạt tới 100%, nhưng thực tế chỉ đạt khoảng 70% do một số khó khăn kỹ thuật trong quá trình chế tạo Mặc dù hiệu suất của laser bán dẫn vượt trội so với laser khí (20%) và laser rắn (5-7%), công suất bức xạ của chúng vẫn còn thấp và chưa thể so sánh với laser khí hay laser tinh thể.
Laser bán dẫn nổi bật với khả năng điều khiển dễ dàng và biến đổi công suất bức xạ theo quy luật đã định Khi dòng điện thay đổi trong môi trường bán dẫn, công suất phát ra cũng sẽ thay đổi tương ứng Đặc tính này khiến laser bán dẫn trở nên quan trọng đặc biệt trong lĩnh vực truyền thông và vô tuyến truyền hình.
1- Điện cực; 2- Be mặttiếp xúc; 3- Bn dẫn loại p 4- Tiếp giáp n-p; 5- Bán dẫn loại n; 6- Lóp
Hình 5.5 trình bày laser khí cỏ với lớp tiếp giáp p-n có độ dày khoảng 0,1 mm Lớp phát xạ có độ dày từ 1,4 đến 2 mm, được hình thành do sự thẩm thấu của các điện tử và lỗ trống qua tiếp giáp p-n bên trong tinh thể.
5.2.1.3 Laser khí Ưu diêm của loại laser khí ỉà công suất lớn, tỉnh đơn sắc và khá năng định hướng cao, thích hợp cho việcsử dụng chúng ở chế độ liên tục Dải buớc sóng của loại laserkhí kéo dàitừ sóng mm cho đếnvùngtử ngoại Môi truờng hoạt tính của loại laser khí là các chất khí hay hỗn họp khí khác nhau.
Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử nhu oxit cacbon, cacbonic, hơinuớc
Nguyên lý tạo laser khí nhu hình 5.5
Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
5.3.1 Các thông số công nghệ
5.3.1.1 Năng lượng và thời gian xung
Quá trình gia công bằngtialaser có thể tách làmhai pha:
- Ánh sáng laser bóc đi lópbề mặt có khả năng phản chiếulớn.
- Sau đó vậtliệu có màu tối hơn hấpthụ năng lượng của chùmtialaser.
Trong giai đoạn sau của quá trình phát sáng, nhiệt độ tăng nhanh và tỏa ra từ lỗ khoan Điều này dẫn đến việc đường kính của các lỗ sẽ lớn hơn đường kính của tia laser, và sự khác biệt này càng rõ rệt hơn khi thời gian chiếu kéo dài.
Tốc độ cung cấp năng lượng quyết định quá trình đun nóng, nóng chảy hoặc bốc hơi có diễn ra hay không Việc điều chỉnh này thường được thực hiện bằng cách thay đổi thời gian xung của tia laser.
1- Bốchơi; 2- Nóng chảy; 3- Nung nóng
Mối quan hệ giữa năng lượng và thời gian xung dài sóng ảnh hưởng đến độ phân giải và độ hội tụ tối đa Khi chiều dài sóng ngắn hơn, độ phân giải tăng cao và đặc tính hội tụ trở nên tốt hơn.
Công nghệ khoan bằng laser cho phép tạo ra các lỗ nhỏ và sâu trên nhiều loại vật liệu như kim loại, gốm, nhựa và composite Các vật liệu kim loại có thể khoan bao gồm thép không gỉ, vonfram, tantali, bery và urani, cùng với hợp kim phi kim loại So với phương pháp khoan tia lửa điện chỉ áp dụng cho vật liệu dẫn điện và khoan cơ khí truyền thống bị hạn chế bởi tình trạng mòn và gãy dao, khoan bằng laser mang lại hiệu quả cao cho các lỗ nhỏ và dễ dàng tự động hóa Tuy nhiên, phương pháp này vẫn có một số hạn chế như lỗ bị côn, độ sâu và đường kính lỗ không thể mở rộng quá mức.
Có thể khoan các lỗ nhỏ với đường kính từ 0,1254-1,25/77/77, đạt tỷ số chiều sâu trên đường kính lên đến 100 Đối với các lỗ nhỏ đến 5p/77, tỷ số chiều sâu trên đường kính có thể đạt 50 Khi khoan các lỗ có đường kính từ 75p/77 trở lên, chiều sâu lớn nhất có thể đạt 15/77/77 Tuy nhiên, các lỗ không thông thường khó có thể đạt được chiều sâu chính xác.
Lỗ khoan bằng tia laser thường có hình dạng không đều và độ tròn thấp, đặc biệt là với các lỗ có đường kính lớn 1,25/77/77, do mật độ năng lượng giảm, dẫn đến việc cắt bằng tia laser được ưa chuộng hơn khoan Độ bóng bề mặt gia công thường đạt cấp 04-9, trong khi độ cứng tế vi của lớp bề mặt tương đối cao nhưng chiều sâu lớp cứng nguội lại khá nhỏ Cụ thể, khi gia công thép, độ cứng tế vi có thể đạt 600M/77/772 với chiều sâu lớp cứng nguội khoảng 30p/77.
Năng lượng từ laser được hấp thụ bởi bề mặt kim loại, chuyển hóa thành nhiệt để làm nóng chảy và bay hơi vật liệu Để loại bỏ kim loại nóng chảy và hơi, một dòng khí áp suất cao được thổi vào vùng cắt, giúp tăng cường hiệu quả gia công.
Di chuyển tia laser theo quỹ đạo sẽ tạo ra một vết cắt, với bề rộng và chất lượng cạnh cắt phụ thuộc vào loại tia, chất lượng tia, năng lượng phân bố và kiểu di chuyển gia công Độ sâu cắt tỷ lệ thuận với năng lượng cắt và tỷ lệ nghịch với tốc độ cắt; năng lượng cắt gấp đôi sẽ tạo ra chiều sâu cắt gấp đôi Bề dày cắt lớn nhất hiện nay là 25mm đối với các loại thép hợp kim, trong khi bề dày cắt hiệu quả kinh tế cao nhất đạt tới 12,5mm Các kim loại phản xạ ánh sáng laser có phần trăm gia tăng tương ứng khi bước sóng tia tăng, và tia laser CO2 năng lượng cao có thể khắc phục ảnh hưởng của phản xạ này Tia laser với bước sóng ngắn như Nd:YAG không chịu ảnh hưởng này do phần lớn năng lượng của chúng bị hấp thụ.
Dòng khí nén thường là oxy, giúp giảm hệ số phản xạ của bề mặt kim loại Khi bề mặt đạt nhiệt độ cao, oxy tham gia vào phản ứng tỏa nhiệt, thúc đẩy quá trình cắt Khí nén thổi ra ngoài phần kim loại đã bốc hơi và plasma, tạo điều kiện cho quá trình cắt diễn ra dễ dàng và bề mặt vết cắt trở nên sạch sẽ Để đạt hiệu quả cao trong cắt gọt, dòng khí thổi vào cần tạo thành dòng lớn hơn khu vực gia công so với kích thước vết chùm tia.
Khi cắt bằng laser, bề rộng vết cắt thường bằng hoặc lớn hơn một chút so với tia laser, vì vậy việc điều khiển tia laser là rất quan trọng Bề rộng đường cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng tia, tiêu điểm, vị trí tiêu điểm, áp suất khí và tốc độ cắt Đặc biệt, bề rộng vết cắt điển hình khi cắt bằng laser là 0,2 mm, trong khi cắt bằng oxy-axêtylen là 3 mm.
Cắt bằng laser CO2 liên tục có thể tạo ra độ nhám bề mặt vết cắt từ 84-15µm đối với thép cán nguội dày 1,6mm và từ 30-50µm với thép lá Khi sử dụng oxy hỗ trợ cắt, độ nhám khi cắt thép không gỉ thường đạt từ 30-50µm.
Hàn bằng tia laser không tiếp xúc với vật liệu, giúp mối hàn luôn sạch sẽ Phương pháp này cho phép hàn trong môi trường không khí, trong khi hàn bằng tia điện tử yêu cầu môi trường chân không Một ưu điểm nổi bật của hàn laser là vùng ảnh hưởng nhiệt rất nhỏ, điều này đặc biệt quan trọng khi hàn gần các yếu tố nhạy cảm với nhiệt.
Hàn bằng tia laser là phương pháp phổ biến trong công nghệ chế tạo vi mạch, cho phép nối các đầu nối với tấm mạch in một cách chính xác Ngoài ra, phương pháp này còn được sử dụng trong công nghệ làm kín vỏ cho các mạch tích hợp Hàn bằng tia laser cũng có khả năng nối các kim loại có tính chất lý hóa khác nhau, bao gồm cả việc kết nối kim loại với phi kim loại.
Quá trình chuyển năng lượng laser thành nhiệt làm cho kim loại thay đổi pha từ rắn sang lỏng, và khi năng lượng này biến mất, kim loại sẽ quay trở lại trạng thái rắn Phương pháp hàn chảy kim loại này được áp dụng để tạo ra mối hàn điểm hoặc lớp hàn liên tục Có hai loại hàn laser chính: hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu.
Hàn dẫn nhiệt là phương pháp sử dụng đặc tính khuếch tán nhiệt của kim loại để truyền nhiệt vào vùng mối hàn Bằng cách tập trung nhiệt trong đường kính tia hội tụ và điều khiển lượng nhiệt này vào vùng hàn trong thời gian ngắn, cấu trúc của kim loại nền sẽ được thay đổi Với công nghệ laser hiện nay, giới hạn hàn xuyên sâu lớn nhất đạt khoảng 25/77/77.
Kiểu dẫn nhiệt Kiểu xuyên sâu
Hình 5.12 Các kiểu hàn laser
Đặc điểm và phạm vi ứng dụng
- Không cần dùng buồng chân không.
- Không có vấn đề tíchđiện trong môi truờng.
- Có khả năng làm việc trong môi truờng không khí, khí trơ, chân không, hoặc ngay cảtrong chất lỏng hay chất rắn truyền quang.
- Có thể gia công tất cả vật liệu.
- Không có sụtác dụng lục trục tiếp giữadụngcụ và phôi.
- Phù hợpvới các công việc cắt vật liệuceramic và các vật liệu bị pháhủynhanh do nhiệt độ.
- Khó điều chỉnh công suấtra.
- Khả năng điều chỉnh độlệch tia kém hơn tia điện tử.
- Đuờng kính nhỏ nhất của điểm chất sángphụ thuộc vào buớc sóng ánh sáng.
- Có kỹ thuật cao, đầu tu lớn.
- Cầnphải xác định chính xác điểm gia công.
- Sụ pháhủy vềnhiệt có ảnh huởng tới phôi.
- Trong công nghiệp, laser đuợc sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt, tiện, phay các loại vật liệu có độ nóng chảy cao kể cả phikim.
- Cắt các rãnh nông, chạm khắc các dụng cụ đo và các chi tiết thép, khắc logo trênvật liệu kim loại và phikim.
- Gia công các chi tiết cục nhỏ.
Gia công vi laser là công nghệ tiên tiến cho phép cắt các vật liệu như kim cương, thủy tinh, ceramic và polyme mềm với kích thước rất nhỏ, điều mà các phương pháp gia công khác gặp khó khăn.
- Nhiệtluyện, chẳng hạntôi cứng các bề mặt bánh răng hoặc mặt trụ.
Cân bằng động lục là quá trình quan trọng cho các động cơ chuyển động, đặc biệt với những chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và không bị lệch tâm Đối với các chi tiết có chuyển động quay, việc cân bằng được thực hiện thông qua việc loại bỏ vật liệu thừa, nhằm khắc phục tình trạng mất cân bằng.
- Laser cònđuợc dùng để kiểm trachất luợng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh khiết của chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử.
- Tạo các lóp cách nhiệt bằng cách cắt lóp trong kỹ nghệ hàng không, vi tính.
- Gia công các vật liệu mỏng, đặc biệt trong các mạch tích hợp (IC) Làm vi mạchđiện tử.
Ngoài ra, laser còn thâm nhập vào cuộc sống của chúng ta qua các băng từ, máy in laser, máy photo laser, đo đạc và nhiều ứng dụng khácnữa.
Hình 5.13 là hình dáng bên ngoài của một máy gia công bằng tialaserNC năm trục dùng để hàn, cắtnhững chitiết lớn, đặcbiệtlà kim loạitấm.
Hình 5.13 Máy gia công laser NC năm trục
Hình 5.14 Trung tâm gia công laser Hình 5.15 Máy cat laser S800 của Etưolaser
tham khảo)
Khái niệm về Plasma
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, được phát hiện vào năm 1923, trong đó khí trở nên dẫn điện do ion hóa các nguyên tử khí Để đạt được trạng thái ion hóa này, cần một nguồn năng lượng, chủ yếu là nhiệt độ của hồ quang điện.
Sự ion hóa các nguyên tử và phần tử khí thường xảy ra khi chúng tương tác với điện tử, nguyên tử hoặc photon Khi đó, năng lượng được truyền cho các phần tử ion hóa vượt qua ngưỡng tối thiểu, được gọi là thế ion hóa.
Quá trình ion hóa có thể được phân loại dựa trên mức độ va chạm giữa các nguyên tử và điện tử Khi khí được đốt nóng đến nhiệt độ cao, tất cả các quá trình ion hóa sẽ xảy ra đồng thời trong khí Các chất ion hóa có khả năng dẫn điện được gọi là plasma.
Khi hồ quang cháy tự do, vùng plasma trong cột hồ quang rất nhỏ, với nhiệt độ dao động từ 5.000-6.000°C tùy thuộc vào thành phần khí Nếu khả năng hoạt động tự do của hồ quang bị hạn chế, nhiệt độ trong cột hồ quang có thể tăng lên đến 15.000-20.000°C Sự thắt cột hồ quang tạo ra plasma cực mạnh, dẫn đến sự chuyển đổi thành hồ quang plasma.
Nhiệt độ của plasma phụthuộc vàokhí đưa vào vùng trạng thái plasma Môi trườngkhí trong plasmatron phảithực hiện các chức năng sau:
- Bảo vệ khỏitươngtác hóa họcvà làmnguội điện cực.
- Biến đổi điệnnăngthành nhiệt năng.
- Tạo tiaplasma ổn định với tốc độ và nhiệt độyêu cầu.
- Đảm bảo các tính chất cần thiết của sản phẩm.
- Phải đơn giản và kinh tế.
- Điều kiện thao tác an toàn.
Hiện nay người ta sử dụng các loại khí sau để tạo plasma:
- Nỉtơ: đạt được nhiệt độ 7.500°K, tính dẫnđiện và dẫn nhiệt trongđiều kiện nhiệtđộ caotốt, thuận lợi cho việc duy trì hồ quang.
Khí hydrô có khả năng đạt nhiệt độ lên đến 7.500°K và có tính dẫn nhiệt tốt hơn nhiều loại khí khác Mặc dù hydrô có giá thành tương đối rẻ, nhưng trong môi trường nhiệt độ cao, nó có thể gây ra tác động phá hủy điện cực Do đó, khí hydrô thường được sử dụng kết hợp với argon để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình ứng dụng.
Argon là một khí hiếm có khả năng đạt nhiệt độ lên tới 15.000°K và có tính dẫn điện tốt Tuy nhiên, argon có giá thành cao và thường được ứng dụng trong các trường hợp cần vai trò trơ hóa học của nó.
- Hêlỉ: Đạt được nhiệtđộ20.000°K, có tínhchất về điệntốthơn sovới argon nhưng giáthành cao nên ít dùng.
Các khí bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác động của không khí tự do trong quá trình gia công và làm nguội Việc lựa chọn khí bảo vệ phụ thuộc vào loại vật liệu gia công, với các loại khí phổ biến như argon, heli, nitơ, cacbonic và các hỗn hợp của chúng như argon-hydrô, argon-heli, argon-cacbonic, nitơ-hydrô.
Khi cột hồ quang bị thắt, không chỉ nhiệt độ dọc theo trục tăng lên mà còn xảy ra sự dịch chuyển tự do của vết hoạt tính trên bề mặt chi tiết, tạo nên dòng nhiệt tập trung trong chi tiết Hồ quang tự do có hình dạng hình côn với tiết diện rộng, bao gồm các loại hồ quang như: a) Hồ quang trực tiếp; b) Hồ quang gián tiếp; c) Hồ quang kết hợp.
Trong plasmatron hồ quang trực tiếp, anot và chụp trung tính có vai trò ổn định và thắt cột hồ quang Ngược lại, trong plasmatron hồ quang gián tiếp, chụp tạo plasma đóng vai trò là anot, trong khi chi tiết trung tính Đối với plasmatron hồ quang kết hợp, hệ thống bao gồm hai anot riêng biệt và một catot chung (điện cục), trong đó các anot là chi tiết và chụp tạo plasma.
Hồ quang có thể bị thắt tới một giới hạn nhất định, và ở một giá trị cụ thể của cường độ và đường kính chụp tạo plasma, hiện tượng hồ quang kép sẽ xuất hiện Hiện tượng này diễn ra khi hồ quang cháy giữa điện cục và chụp tạo plasma, cũng như giữa chụp tạo plasma và chi tiết.
Sự xuất hiện của hồ quang kép xảy ra khi dòng điện tăng và đường kính chụp tạo plasma giảm, dẫn đến điện áp trong cột hồ quang tăng cao Khi khoảng cách giữa chụp tạo plasma giảm dần, tính dẫn điện của khí tăng lên, tạo điều kiện cho dòng điện chính ngắt Hồ quang kép là hiện tượng có hại, gây phá hoại mối hàn và làm hỏng chụp tạo plasma Để ngăn ngừa sự hình thành hồ quang kép, cần lựa chọn đúng đường kính khe trong chụp tạo plasma và lượng khí tiêu thụ phù hợp.
Gia công bằng tia plasma là công nghệ dùng hồ quang plasma sinh ra giữa catot và anot để tiện hàn hoặc cắt kim loại.
- Sau đó dòngplasma được dịch chuyểntheo đường dẫn đã được vạch sẵn để cắt vậtliệu.
Sơ đồ nguyên lý của cắtbằngtiaplasma được trình bày ở hình6.3 a) b)
1- Tia plasma; 2- Vòi phun; 3- Catot; 4- Chi tiết gia công; 5- Nguồn điện
Hình 6.3 Nguyên lý cat bằng tỉaplasma
Cắt bằng hồ quang tia plasma không phụ thuộc vào phản ứng hóa học giữa khí và vật liệu gia công, nhờ vào nhiệt độ plasma cao, cho phép gia công hầu hết các kim loại, kể cả những vật liệu không thể cắt bằng axetylen Dòng hồ quang trong plasma nhiệt độ thấp, dưới tác động của hiệu điện thế, làm cho các hạt tích điện di chuyển nhanh chóng về phía electron và các proton về phía cực âm Sự di chuyển này tạo ra dòng điện trong hồ quang, đồng thời diễn ra quá trình ion hóa, giúp duy trì sự tồn tại của hồ quang ở nhiệt độ cao khi các nguyên tử kết hợp trong phân tử.
Gia công hồ quang plasma yêu cầu sử dụng PCSP (bản cực âm) để tạo ra tia hồ quang Tia hồ quang này sẽ đập vào bề mặt của bản cực tungsten, được đặt giữa hồ quang và chi tiết gia công, nhằm đảm bảo hiệu quả trong quá trình gia công.
Hồ quang có tần số cao xuyên qua khí trơ, ion hóa các khí khác và đưa cả dòng khí ion hóa vào miệng vòi Miệng vòi nhỏ giúp thu gọn hồ quang, làm tăng mật độ và nhiệt độ dòng hồ quang Dòng hồ quang mạnh mẽ này tập trung vào vùng gia công, khiến vật liệu nóng chảy trong quá trình cắt Chất khí nóng bị hạn chế bởi miệng vòi không thể dãn nở, kết hợp với hồ quang tạo thành tia siêu âm Kim loại gia công tiếp tục nóng chảy nhờ hồ quang cường độ cao và được thổi đi bởi dòng khí từ lỗ vòi, tạo ra vật cắt với bề mặt nhẵn bóng Sự kết hợp giữa nhiệt và lực của tia hồ quang tạo ra mặt cắt chất lượng cao.
Phương pháp gia công bằng hồ quang plasma có khả năng cắt mọi loại kim loại dẫn điện, bao gồm thép carbon, thép không gỉ và nhôm Công nghệ plasma được ứng dụng để cắt các vật liệu dẫn điện cứng và kim loại đặc biệt với tốc độ cao Cụ thể, plasma có thể cắt một tấm thép mềm dày 6.35mm với tốc độ 3.15mm/phút.
6.3 Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
6.3.1 Điện áp hồ quang Điện áp hồ quang trong quá trình gia công bao giờ cũng thấp hơn điện áp nguồn điện chạy không tải, nó phụ thuộc vào chiều gia công Thông thuờngđiện áp khi cắt các tấmmỏng làtừ 1204-200V và400V đối với tấm dày Khi cắt đứt kim loại hiệu điệnthế không tải lênđến 500V, đồng thời kimloại dùng để cắtđứtcóthể dàyđến 200mm.
Bảng 6.1 Điện ápvà độ dàycựcđại (mm) của kim loại cat gọt Điện áp gia công (V)
Nhôm và các hợp kim nhôm
Thép không gỉ Thép ít cacbon Đồng Đồng thau
6.3.2 Cường độ dòng điện của nguồn thuộc vào vật liệu và tốc độ cắt Thiết bị cắt bằng tay sử dụng điện áp mạch hở 1204-200F, dòng điện 704-10(14 và tốc độ cắt tuong đối thấp Bảng 6.2 trình bày mối quan hệ giữa cuờng độ dòng điện với đuờng kính của catot và đuờng kính vòi phun. Chúýrằng cuờng độ dòng điện chọn trong bảng này là cuờng độ trongmạch điện, còn cuờng độ dòng điệntrong các điện cục chỉ đến 304-50/4.
Bảng 6.2 Cường độ dòng điện vàđường kính catot, vòiphun
Cường độ dòng điện (A) Đường kính (mm) Cường độ Đường kính (mm)
Catot Miệng vòi phun dòng điện (A) Catot Miệng vòi phun
Tốc độ gia công tùy thuộc vào chiều dày gia công hay bề dày lóp cat Neu bề dày lópcăt nhỏthì tôc độcăttăng lên và nguợc lại.
Khitốc độ cắt giảm, lópkim loại cắt tăng lên, đây là đặc điểm quantrọngtrong quá trình cắt gọt bằng hồ quang plasma.
Khi gia công thép ít cacbon có bề dày lóp S cắt ỉ,5mmthì tốc độcắt đạt tới ■>
Khi cắtthép có chiều dày nhỏ hơn
Cắt bằng plasma nhanh hơn cắt bằng oxy nhiên liệu, đặc biệt là với các vật liệu dày 15mm, trong khi dưới 25mm, hiệu suất cắt plasma vượt trội gấp 5 lần so với oxy nhiên liệu Hình 6.4 minh họa mối quan hệ này.
Thép c thấp, khí tạo plasma: Ơ2,
Thép không gỉ, N2: khí tạo plasma O2-N2: khí bảo vệ
Thép không gỉ, N2: khí tạo plasma N2: khí bảo vệ
Thép c thấp, khí tạo plasma: O2,
Khí bảo vệ: không khí
Nhôm, N2: khí tạo plasma O2-N2: khí bảo vệ
Nhôm, N2: khí tạo plasma N2: khí bảo vệ
Cắt hồ quang plasma điều khiển bằng chương trình số mang lại nhiều ưu điểm, đặc biệt là tốc độ cắt cao Tốc độ cắt có thể đạt tới 0,128 m/s cho miếng nhôm dày 6,35 mm và 0,085 m/s cho miếng thép cùng độ dày Tuy nhiên, tốc độ cắt sẽ giảm khi vật liệu dày hơn; ví dụ, tốc độ cắt tối đa cho miếng nhôm dày 100 mm chỉ đạt 0,0085 m/s.
Khi gia công cắt thép ít cacbon có bề dày ỈOmm thì tốc độ cắt nhỏ nhất
3+Ạmmlphút Nhưng tốc độ cắt gia côngbằng hồ quang plasma vẫn cao hơntốc độ cắt khí oxy với công suấtgiống nhau.
Tốc độ cắt gọt kim loại ảnh hưởng trực tiếp đến công suất hồ quang cắt; khi tốc độ cắt tăng lên, công suất cũng phải tăng để duy trì hiệu quả cắt Tại tốc độ cắt cực đại, năng suất cắt và hiệu quả kinh tế trong gia công sẽ được tối ưu hóa Ngược lại, khi tốc độ cắt giảm, không chỉ năng suất giảm mà còn ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công do lượng nhiệt tác động lên chi tiết, cùng với các yếu tố như độ dày kim loại, điện áp và dòng điện hồ quang.
B - bề rộng củavết cắt h -hiệu suất nhiệt g - khối luợng riêng của kim loại cắt.
Quá trình cắt cần được tính toán kỹ lưỡng để đạt được sự phối hợp tối ưu giữa công suất và tốc độ cắt Điều này bao gồm việc lựa chọn dòng điện, điện áp, loại khí tạo plasma và cấu trúc plasmatron Để cắt được các vật liệu có độ dày lớn, cần tăng công suất và giảm tốc độ cắt.
6.3.4 Khoảng cách từ đầu phun đến chi tiết gia công
Việc điều chỉnh khoảng cách giữa đầu phun và chi tiết gia công là rất quan trọng, với khoảng cách lý tưởng từ 2 đến 5mm cho các hỗn hợp khí và lớn hơn cho không khí Nếu khoảng cách này quá lớn, chất lượng cắt sẽ giảm và lượng khí tiêu thụ sẽ tăng.
6.3.5 Vùng ảnh hưởng nhiệtvà chất lượng vết cắt
Cấu trúc kim loại tại mép cắt thay đổi theo loại kim loại và độ dày cắt Khi cắt thép cacbon thấp, vùng ảnh hưởng nhiệt rộng từ 0,24-0,3 mm, trong đó có cấu trúc peclit và bainit, làm tăng độ cứng so với kim loại cơ bản Đối với thép chứa 13% Cr, vùng ảnh hưởng nhiệt rộng từ 2-3 mm và xuất hiện cấu trúc mactenxit trostit với độ cứng cao Khi cắt nhôm, cấu trúc không thay đổi, nhưng giữa ranh giới cắt xuất hiện rỗ và chảy với chiều sâu lên tới 0,3 mm.
Chất lượng vết cắt chịu ảnh hưởng bởi cường độ dòng điện, loại khí sử dụng, tốc độ cắt và khoảng cách giữa plasmatron và chi tiết gia công Nếu dòng điện quá lớn, mép cắt sẽ bị cháy và bắn tóe, dẫn đến việc tăng chiều rộng vết cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt.
Khi sử dụng chế độ cắt thíchhọp thì mép cắt phang và không sần sùi Cạnh cắt
- Tốc độ cắt lớn và các vết nứt trên bề mặt không lớn, cho năng suất cao.
- Dễ dàng kết hợpvớicác máy tự động.
- Sử dụng nguyên liệu khí để cắt gọt.
- Cắt thép cacbon nhanh gấp 10 lầnkiểu cắthỗnhọp khí oxy nênkinh tế hơn.
- Đe lại đuờng rãnh cắtnhỏ.
- Cat bang plasma có thể làm mềm vật liệu và có thể gia công bằng các phuơng pháp khác.
- Đầu cat plasma cho nhiệt độ hồ quang lớn với nhiều nguồn khí có sẵn trong thục tế, năng luợng hầu nhu không hạn chế trong phuơng pháp này.
- Khi cắt đứt kim loại thì chiều dày tối đa của chi tiết nhỏ hơn khi cắtbằng oxy hay oxy thuốc.
- Thiết bị phức tạpvà đắt tiền.
- Hệ điều khiển số phức tạp.
- Plasma được ứng dụng trong việc cắt các vật liệu dẫn điện cứng, các kim loại đặc biệt với tốc độ cao.
Ứng dụng phổ biến nhất của plasma là cắt thép không gỉ và nhôm Ngoài ra, công nghệ này còn có khả năng cắt nhiều loại kim loại khác như thép, hợp kim thép, titan và đồng, với tốc độ nhanh và độ chính xác cao.
- Hồ quang plasma có thể dùng để cắt lóp, cắt tấm xiên, cắthìnhvà đục lỗ.
- Khi thêmtrang thiếtbị đặc biệt, có the catplasma dướinước.
- Công nghệ plasma được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như tàu biển, hoá học,hạt nhân, tàu ngầm
