các phương pháp gia công tiên tiến: gia công bằng tia plasma

PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA PLASMA Sơ lược về nguyên nhân hình thành plasma và sự tồn tại của chúng Vật chất xung quanh chúng ta thật là muôn hình muôn vẻ phong phú đa dạng. Theo phân loại cơ bản thì vật chất tồn tại ở 3 dạng cơ bản là rắn , lỏng và khí .Nhưng ngoài 3 loại đó ra vật chất còn ở trạng thái nào khác nữa không? Ta hãy lấy nước làm ví dụ: đun nóng một cục băng đến mức độ nhất định nó (thể rắn) sẽ biến thành nước (thể lỏng) nhiệt độ tăng lên nữa nước sẽ bốc hơi (thể khí). Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ hơi nước lên cao hơn nữa thì sẽ được kết quả như thế nào? Khi nhiệt độ chất khí cao hơn vài ngàn độ thì các electron mang điện âm bắt đầu bứt khỏi nguyên tử và chuyển động tự do .Nguyên tử trở thành các ion mang điện dương. Nhiệt độ càng cao thì số electron bứt ra khỏi nguyên tử chất khí càng nhiều hiện tượng này được gọi là sự ion hoá của chất khí. Các nhà khoa học gọi thể khí bị ion hoá là trạng thái plasma. Ngoài nhiệt độ cao ra ,dùng các tia tử ngoại, tia X ,tia beta pozitron(phản hạt của electron là beta+) hay electron(beta) cực mạnh chiếu vào chất khí cũng có thể làm cho nó biến thành plasma. Có thể chúng ta cảm thấy plasma rất hiếm có. Nhưng thực ra đó lại là một trạng thái phổ biến trong vũ trụ.(98% vật chất)Trong lòng phần lớn những vì sao phát sáng trong vũ trụ đều có nhiệt độ và áp suất cực cao .Vật chất ở trong lòng các vì sao này đều ở trạng thái plasma. Chỉ có ở một số hành tinh tối và vật chất phân tán trong thiên hà mới có thể tìm thấy chất rắn chất lỏng và chất khí.

BÀI BÁO CÁO MÔN HỌC :

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG MỚI

PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA PLASMA

* Sơ lược về nguyên nhân hình thành plasma và sự tồn tại của chúng

- Vật chất xung quanh chúng ta thật là muôn hình muôn vẻ phong phú đa dạng Theo phân loại cơ bản thì vật chất tồn tại ở 3 dạng cơ bản là rắn , lỏng và

khí Nhưng ngoài 3 loại đó ra vật chất còn ở trạng thái nào khác nữa không? Ta hãy lấy nước làm ví dụ: đun nóng một cục băng đến mức độ nhất định nó (thể rắn)

sẽ biến thành nước (thể lỏng) nhiệt độ tăng lên nữa nước sẽ bốc hơi (thể khí) Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ hơi nước lên cao hơn nữa thì sẽ được kết quả như thế nào?

* Khi nhiệt độ chất khí cao hơn vài ngàn độ thì các electron mang điện âm bắt đầu bứt khỏi nguyên tử và chuyển động tự do Nguyên tử trở thành các ion mang điện dương Nhiệt độ càng cao thì số electron bứt ra khỏi nguyên tử chất khí càng nhiềuhiện tượng này được gọi là sự ion hoá của chất khí Các nhà khoa học gọi thể khí

bị ion hoá là "trạng thái plasma"

* Ngoài nhiệt độ cao ra ,dùng các tia tử ngoại, tia X ,tia beta [ pozitron(phản hạt của electron là beta+) hay electron(beta-)] cực mạnh chiếu vào chất khí cũng có thể làm cho nó biến thành plasma

* Có thể chúng ta cảm thấy plasma rất hiếm có Nhưng thực ra đó lại là một trạng thái phổ biến trong vũ trụ.(98% vật chất)

Trong lòng phần lớn những vì sao phát sáng trong vũ trụ đều có nhiệt độ và áp suất cực cao Vật chất ở trong lòng các vì sao này đều ở trạng thái plasma Chỉ có

ở một số hành tinh tối và vật chất phân tán trong thiên hà mới có thể tìm thấy chất

rắn chất lỏng và chất khí.

Ngay xung quanh chúng ta cũng thường gặp vật chất ở trạng thái plasma Như ở trong ống đèn huỳnh quang, đèn neon, trong hồ quang điện sáng chói đều có thể tìm thấy dấu vết của nó Hơn nữa trong tầng ion xung quanh trái đất ,trong hiện tượng cực quang, trong khí phóng điện sáng chói ở khí quyển và trong đuôi của các sao chổi ta đều có thể tìm thấy trạng thái plasma kỳ diệu này Để hiểu rỏ hơn

về ứng dụng của nó trong thực tế như thế nào chúng ta cùng nhau vào tìm hiểu.Sau đây là một số hình ảnh về sự phát triển của máy PLASMA :

MÁY CẮT PLASMA CNC VÀO NHỮNG NĂM 1980

A Khái niệm cơ bản

- Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được tìm ra vào năm 1923 Trong trạng thái này các chất khí sẽ trở nên dẫn điện do kết quả của sựion hoá của các nguyên tử khí do đó có thể coi nó là một trạng thái thứ tư của vật chất Để đưa đến trạng thái ion hoá của chất khí cần phải có 1 nguốn năng luợng(thích hợp nhất là nhiệt độ của hồ quang điện )

- Sự ion hoá xảy ra khi các phân tử , nguyên tử khí va chạm với các điện tử ,

nguyên tử hoặc photon Năng lượng được chuyển tới các phần tử ion hoá vượt qua giá trị ngưỡng tối thiểu và gọi là thế ion hoá

- Quá trình ion hoá có thể phân cấp theo mức độ va chạm các nguyên tử và điện tử với các nguyên tử Nếu chất khí được đốt nóng tới nhiệt độ cao thì tất cả quá trìnhion hoá xảy ra đồng thời trong chất khí Các chất ion hoá dẫn điện như vậy được gọi là plasma

- Plasma chiếm khoảng không giữa các điện cực và là cái kênh để dòng điện hồ quang chạy qua khoảng không này gọi là cột hồ quang

- Khi hồ quang cháy tự do , vùng plasma trong cột hồ quang rất nhỏ ,nhiệt độ trong bình cột hồ quang là 5000-6000 độ C (còn tuỳ thuộc vào thành phần chất khí ) Nếu khả năng hoạt động tự do của hồ quang bị hạn chế nhiệt độ cột hồ quang có thể lên tới 15000-20000 độ C sự thất cột hồ quang tạo nên plasma cực mạnh và chuyển thành hồ quang plasma

B Đặc điểm và khả năng công nghệ

+ Bảo vệ khỏi tương tác hoá học và làm nguội điện cực

+ Biến đổi điện năng thành nhiệt năng

+Tạo tia plasma ổn định với tốc độ và nhiệt độ yêu 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

+ Nito đạt được nhiệt độ 7500độ K và dẫn trong điều kiện nhiệt độ cao tốt thuận tiện cho việc duy trì hồ quang

+ Hirro đạt được nhiệt độ 7500 độ K tính dẫn nhiệt tốt hơn so với một số khí khác Khí hirro tương đối rẻ nhưng trong môi trường nhiệt độ cao nó thường có tác độngphá hủy điện cực vì vậy nó thường sử dụng kết hợp với khí argon

+ Argon đạt được nhiệt độ 15000 dộ K có tính dẫn điện tốt nhưng loại này đắt tiền + Hêli đạt được nhiệt độ 20000 độ K có tính chất về điện tốt hơn so với argon nhưng giá thành cao nên ít dùng

- Các khí bảo vệ dùng để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác động của không kgi1 tự do trong quá trình gia công và làm nguội Tùy thuộc vào vật liệu gia công mà chọn các khí bảo vệ khác nhau Các khí được sử dụng là argon , nito, cacbonic và các hỗn hợp của chúng như argon – hydro , argon – heli , argon - cacbonic , nito- hydro …

-Ngoài sự tăng nhiệt độ dọc theo trục khi cột hồ quang bị thắt còn xuất hiện sự

rộng phía chi tiết mà có dạng hình trụ

- Để tạo hồ quang plasma người ta dùng thiết bị tạo plasma ( plasmatron ) Có ba kiểu plasmatron :

+hồ quang trực tiếp : chi tiết là anot và chụp là trung tính làm nhiệm vụ ổn định và thắt cột hồ quang

+ hồ quang gián tiếp : chi tiết trung tính , chụp là anot

+ hồ quang kết hợp : có 2 anot riêng đó là chi tiết gia công và chụp tạo plasma

- Hồ quang có thể bị thắt tới một giớn hạn nhất định Ở giá trị nhất định của cường

độ và đường kính chụp tạo plasma hồ quang kép sẽ xuất hiện , nó lần lượt cháy giữa điện cực và chụp tạo plasma ; giữa chụp tạo plasma và chi tiết

- Có thể giải thích sự tạo thành hồ quang kép như sau :khi dòng điện tăng và đường kính chụp tạo plasma giãm thì điện áp trong cột hồ quang tăng Song lớp khí gần chụp tạo plasma giãm dần và tăng tính dẫn điện của khí và tạo điều kiện cho dòng điện chính ngắt

- Hồ quang kép là hiện tượng có hại

* Cấu t ạo đầu vòi phun dòng plasma

- Đầu vòi phun dòng Plasma được làm từ Vonfram (tungsten)(bên trong vòi) có thể kết hợp với các nguyên tố khác như Cacbon để tăng tính chịu nhiệt của nó, cùng một số biện pháp xử lý tăng khả năng chịu nhiêt, kết hợp với chế độ làm nguội bằng nước ở đầu vòi phun khi Plasma được sinh ra

Như vậy Plasma được sinh ra trong khoảng cách giữa đầu voi phun và chi tiết gia công Nó không hoàn toàn nằm trong vòi phun

- Dòng Plasma đi qua dòng nước làm nguội ở đầu vòi phun và nó được thu hẹp lại thành tia để tác động trực tiếp vào vị trí yêu cầu Tia Plasma đến chi tiết gia công

có vận tốc cao và nhiệt độ cực nóng tại tâm của nó, nhiệt độ này đủ để cắt đứt miếng kim loại dày 155,4 mm

- Chi tiết gia công đóng vai trò là anot, đầu vòi phun đóng vai trò là catot

* Sơ đồ nguyên lý gia công

Phôi Khí b o v ảo vệ ệ

Vòng k p ẹp Khí plasma gas Điện cực tungsten

2/ Khả năng công nghệ

- Ngày nay phương pháp cắt hàn bằng tia plasma đã được sử dụng rộng rải ứng dụng trong gia công tiện các vật tròn xoay , bào các rảnh hẹp trên bề mặt gia công nhưng hiện nay chỉ sử dụng để hàn hay cắt đứt chi tiết gia công

- Có thể gia công bất cứ kim loaị nào kể cả các vật liệu rất khó gia công với các phương pháp khác như thép không rỉ và hợp kim nhôm

- Với nguồn năng lượng lớn phương pháp này có thể gia công hợp kim nhôm với chiều dày khoảng 15 cm , và 10cm đối với thép không rỉ

- Ngoài ra phương pháp này có ưu điểm hơn so với các phương pháp truyền thống khác là :

+ tốc độ cắt lớn và các vết nứt trên bề mặt không lớn cho năng suất cao

+ có tính vạn năng : cắt được bất kỳ kim loại nào khi có thiết bị hổ trợ

+ dễ dàng kết hợp với các máy tự động khác

+ sử dụng nguyên liệu khí để cắt gọt

- Ngoài những ưu điểm trên phương pháp gia công cắt gọt kim loại bằng tia plasma

có những khuyết điểm sau :

+ khi cắt đứt kim loại thì chiều dày tối đa của chi tiết nhỏ hơn khi cắt bằng oxy + thiết bị đắt tiền

+ hệ số điều khiển phức tạp

C Cắt bằng tia plasma

Các phương pháp cắt thông thường ( như cắt bằng oxy , cắt hồ quang điện ) chỉ cho phép cắt thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp không thể cắt gang, thép hợp kimcao , nhôm , đồng và các hợp kim của chúng Các phương pháp cắt đặc biệt ( như cắt bằng oxy thuốc …) cũng không đạt chất lượng vết cao năng suất cao Các khó khăn khi cắt thép hợp kim ,nhôm , dồng và bất kỳ kim loại và hợp kim nào được giải quyết nho72co6ng nghệ cắt bằng tia plasma

1/ Khái niệm

Phương pháp gia công dùng dòng Plasma có nhiệt độ từ 11000 – 28000 C để cắt

kim loại bằng cách làm cho nó nóng chảy cục bộ tại vị trí gia công và dùng áp lực của dòng khí đẩy phần kim loại nóng chảy ra khỏi vị trí đó

2/ Nguyên lý gia công

Quá trình cắt được chia làm 2 giai đoạn

* Đầu tiên dòng khí nóng làm chảy và xuyên thủng vật liệu.

* Sau đó dòng Plasma được dịch chuyển theo đường dẫn đã được vạch sẵn để cắt vật liệu

GIÁO VIÊN : NGUYỄN QUỐC VĂN Page 13

- Cắt bằng hồ quang tia plasma không phụ thuộc vào phản ứng hóa học giữa khí và vật liệu gia công bởi vì nhiệt độ trạng thái plasma khá cao

- Có thể gia công cho hầu hết kim loại kể cả những vật liệu mà không thể cắt bằng axetylen

- Dòng hồ quang có đầy trong plasma nhiệt độ thấp dưới tác động của hiệu điện thế

từ nguồn điện các hạt tích điện trong dòng hồ quang sẽ di chuyện về phía các electron với vận tốc lớn hơn , và từ electron sẽ di chuyển về cực dương , còn các proton sẽ di chuyể về phía cực âm Do đó mỗi chuyển động của các hạt phóng điện tích sẽ di chuyển tới các điện cực thích hợp Đồng thời trong hồ quang xuất hiện dòng điện ( hồ quang dẫn đường cho dòng điện xuát hiện ) cùng quá trình tạo các hạt điện tích ( sự ion hóa )thì trong dòng plasma sẻ không ngừng diễn ra quá trình các nguyên tử kết hợp với nhau trong phân tử đây là trường hợp để dòng hồ quang tồn tại trong nhiệt độ cao

- Gia công hồ quang plasma phải dùng bản cực âm với tia hồ quang đập vào bề mặt bản cực bằng tungsten đặt giữa hồ quang và chi tiết gia công Tia hồ quang giữa các bản cực và phôi được bắt đầu từ tia hồ quang mới được phát ra từ giữa bản cực và miệng vòi phun

- Vòi phun được nối với cực (+) thong qua dòng giới hạn điện trở và công tắc hoãn

hồ quang mồi

- Hồ quang mồi được tạo ra từ máy tần số cao nối với điện cực và vòi phun khí ion hóa được dẫn từ vùng hồ quang mồi thồi qua khe miệng của vòi Do vậy tạo được đường dẫn có trở kháng thấp để tạo hồ quang chính giữa bản điện cực và phôi Khi hồ quang chính được đốt thì hồ quang mồi bị tắt

- Hồ quang có tần số cao xuyên qua các khí trơ còn các khí khác bị ion hóa cả dòngkhí ion hóa và hồ quang được đưa đến miệng vòi

- Vòi có miệng nhỏ thu gọn hồ quang làm tăng mật độ hồ quang và nhiệt độ cũng tăng theo Dòng hồ quang có cường độ và nhiệt độ lớn này tập trung vào vùng gia công làm cho vật liệu bị nóng chảy trong lúc cắt

khống chế , nó nhập lại với hồ quang tạo tia siêu âm kim loại gia công tiếp tục nóng chảy bởi hồ quang nhiệt cường độ cao và được lấy đi từ dòng khí phát ra từ

lổ vòi để tạo vật cắt và mặt cắt nhẵn bóng Sự kết hợp giữa nhiệt và lực của tia hồ quang tạo ra mặt cắt chất lượng cao

- Phương pháp gia công hồ quang plasma có thể cắt được bất cứ kim loại dãn điện nào , có thể cắt một tấm thép mềm có độ dày 6,35mm với tốc độ 3175mm/phút 3/ Dụng cụ và thiết bị gia công

- Việc cắt kim loại bằng hồ quang plasma có thể thực hiện bằng thiêt bị bằng tayhoặc cắt tự động

- Trang thiết bị cắt bằng plasma bao gồm :

+ Một nguồn điện tạo dòng điện một chiều với điện áp ko tải là 300-400V

+ Bộ điều khiền dòng điện có tần số cao, đk lưu lượng khí , nước

+ Mỏ cắt

+ Nguồn cung cấp khí tạo plasma

 Bộ điều khiển có các van soleniodđể điều khiền các khí và nước làm nguội theoyêu cầu , có thể điều khiền lưu lượng khí thong qua lưu lượng kế có công tắc lưulượng nước để dừng hoạt động thiết bị khi không đủ nước làm nguội

 Hình dạng bên ngoài mỏ cắt tay (a) và mỏ cắt máy (b)

- Thiết bị cắt plasma bằng tay có thể dùng để cắt hợp kim nhôm chứa sắt dày 25

mm và thép cacbon đến 12,5 mm

 Kết cấu bên trong mỏ cắt

 Hầu hết các đầu cắt hồ quang bằng plasma có thiết kế tạo xoáy ở miệng vói phunkhi dòng khí đi qua lổ nghiêng ở miệng vòi phun dòng xoáy giúp cho việc truyềnnăng lượng hồ quang đến vết cắt tốt hơn Nếu dòng khí xoáy theo chiều kim đồng

hồ thì phía bên phải vết cắt mặt đối diện với hướng chuyển động sẻ tương đối

vuông vắn nhưng mặt bên trái bị xiên Do vậy nên chọn hướng di chuyển sao chophần vật liệu bỏ đi của phôi cắt nằm ở phía bên trái

 Mỏ cắt plasma có thể vận hành bằng tay hoặc bằng máy Mỏ cắt bao gồm một bộphận giữ điện cực và hướng cho đầu điện cực hướng tập trung vào phía miệngvòi

 Cấu tạo điện cực

 Đầu của điện cực bố trí giữa vòi , miệng vòi phun nằm trên vùng hồ quang bị thunhỏ , khí plasma được bơm vào khe hở giữa điện cực và vòi sau đó sau đó đi ramiệng vòi

 Điện cực được làm mát bên trong H5.152 là hai dạng điện cực có lỏi đặc bằnghafini và loại có lỏi được khoét bên trong , loại có lỏi được khoét bên trong chophép tản nhiệt tốt hơn vì nó tản nhiệt cả mặt trong và mặt ngoài của lỏi , loại nàytuổi thọ tăng gấp 2 lần

 Điện cực và vòi được làm mát bằng nước hoặc khí để tăng tuổi thọ miệng vòi cóđường kính lớn cần dòng điện lớn , cắt hồ quang plasma sử dụng miệng vòi một lổhay nhiều lổ loại có nhiều lổ có chất lượng bề mặt gia công tốt hơn miệng 1 lổ

 Tùy theo vật liệu với bề dày khác nhau mà sử dụng các loại mỏ cắt khác nhau đểđạt chất lượng vết cắt tốt nhất với năng suất cao nhất

 Máy cắt PLASMA bằng tay

 Khi cắt bằng tay thì rê mỏ cắt theo đường vạch sẵn nếu cắt vòng tròn thì dùng đồ

gá như h5.154

 Khi cắt bằng máy để gá đầu vòi phun thẳng gốc thì dùng đồ gá như h5.155

4/ Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ

phụ thuộc vào chiều gia công Thông thường điện áp khi cắt các tấm mỏng là 200V và 400v đối với tấm dày Khi cắt đứt kim loại hiệu điện thế ko tải lên đến500V và kim loại cắt có thể dày đến 200mm

120-b Cường độ dòng điện của nguồn : nó quyết định tới hiệu quả kinh

tế trong quá trình gia công vì khi chọn đúng CĐDĐ thì ta giảm được hao phí khilàm điện cực ( giãm đường kính âm thanh cực ) Các thiêế bị công nghiệp khácnhau làm việc ở dòng điện 70-1000A tuỳ thuộc vào vật liệu và tốc độ cắt

c Tốc độ cắt : phụ thuộc vào chiều dày gia công hay bề dày lớpcắt Nếu chiều dày lớp cắt nhỏ thì tốc độ cắt tăng lên và ngược lại Khi gia côngthép ít cacboncó bề dày lớp cắt 1.5mm thì tốc độ cắt đạt tới 20mm/phút

d Khoảng cách từ đầu phun đến chi tiết gia công : từ 2-5mm đốivới hổn hợp khí và lớn hơn đối với ko khí Khoảng cáh này quá lớn làm giảm chấtlượng cắt và tăng khí sử dụng

e Vùng ảnh hưởng nhiệt và chấ lượng vết cắt : Cấu trúc kim loại tạimép cắt thay đổi tuỳ theo kim loại và chiều dày cắt Khi cắt cacbon thấp vùng ảnhhưởng nhiệt độ rộng từ 0.2-0.3mm Chất lượng vết cắt phụ thuộc vào cường độdòng điện , khí sử dụng , tốc độ cắt và khoảng cách giữa plasmatron đến chi tiếtgia công , nếu dòng cắt lớn thì mép cắt bị cháy và bắn toé , chiều rộng vết cắt vàvùng ảnh hưởng nhiệt tăng lên Chiều rộng vêế cắt thông thường 7-10mm ở phíatrên và 5-8mm ở phía dưới

5/ Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng

- Khi thêm trang thiếệ bị thì có thể cắt dưới nước

- Được sử dụng trong nhiều lỉnh vựa như tàu biển , hoáhọc , hạt nhân , tàu ngầm

- Cắt kim loại chịu nhiệt cao theo kích thước yêu cầu

D Tiện bằng tia plasma

1/ Nguyên lý gia công

- Quá trình xảy ra khi tiện plasma ko phải là quá trình toả nhiệt tức là ko nung nóng vật liệu cần lấy đi mà dùng tia plasma cực mạnh và mật độ cao làm nóng chảy vật liệu gia công Thường sử dụng hỗn hợp khí argon – hydro để tạo ra tai plasma Quá trình tiện plasma cũng giống như quá trình tiện truyền thống chỉ khác là thay

vì dùng dao tiện thì người ta sử dụng đầu phun plasma Sơ đồ nguyên lý gia công :

ab