PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP CẮT THÉP

Để thực hiện công việc cắt vật liệu, trong thực tế có nhiều phương pháp, công nghệ khác nhau như: Phương pháp cắt thủ công, cắt bằng ngọn lửa hàn khí, cắt bằng chùm tia laser, plasma hay các phương pháp dập tấm (dập cắt và đột lổ), cắt bằng máy cắt thép tấm,... Tùy theo hình dạng, kích thước vật liệu cũng như qui mô sản suất mà ta có thể áp dụng phương pháp cắt khác nhau cho hợp lý.

CHƯƠNG 3:

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP CẮT THÉP

Để thực hiện công việc cắt vật liệu, trong thực tế có nhiều phương pháp, công nghệ khác nhau như: Phương pháp cắt thủ công, cắt bằng ngọn lửa hàn khí, cắt bằng chùm tia laser, plasma hay các phương pháp dập tấm (dập cắt và đột lổ), cắt bằng máy cắt thép tấm, Tùy theo hình dạng, kích thước vật liệu cũng như qui mô sản suất mà ta có thể áp dụng phương pháp cắt khác nhau cho hợp lý

3.1 PHƯƠNG PHÁP THỦ CÔNG

Cắt thép bằng các phương pháp thủ công có nhiều cách, chẳng hạn như phương pháp chặt bằng ve, tốn nhiều thời gian, các vết cắt không được thẳng và sản phẩm tạo

ra không đảm bảo yêu cầu về độ chính xác Phương pháp này chỉ áp dụng cho những phân xưởng thủ công, cắt các thép tấm có chiều dày bé và tiết diện nhỏ

Máy cắt thép thủ công: gồm hai lưỡi cắt và một cơ cấu cánh tay đòn và đòn bẩy

để tạo lực cho lưỡi cắt Máy này cũng chỉ áp dụng cắt những tấm thép có chiều dày

và diện tích bé, chủ yếu dùng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ

3.2 CẮT BẰNG HỒ QUANG ĐIỆN HOẶC NGỌN LỬA KHÍ

Cắt đứt bằng hồ quang điện: là quá trình nóng chảy hoặc cắt đứt kim loại bằng nhiệt lượng hoặc hồ quang điện, điện cực hồ quang có thể là than hoặc kim loại Phương pháp này không kinh tế, khó thuận tiện khi chiều dày tấm thép lớn, đường cắt không đều

Cắt bằng khí là phương pháp cắt sử dụng nhiệt của ngọn lửa sinh ra khi đốt cháy khí cháy trong dòng oxy để nung kim loại tạo thành các oxit và thổi chúng ra khỏi mép cắt tạo thành rãnh cắt

Hình3.1 Sơ đồ cắt kim loại bằng khí

2 1

3

1 Phôi cắt.

2 Rảnh cắt.

3 Hỗn hợp khí cắt.

4 Dòng Oxy cắt.

Khi bắt đầu cắt, kim loại ở mép cắt được nung nóng đến nhiệt độ cháy nhờ nhiệt

độ của ngọn lửa nung, sau đó cho dòng oxy thổi qua, kim loại bị oxy hoá mãnh liệt tạo thành oxit Sản phẩm cháy bị nung chảy và được dòng oxy thổi khỏi mép cắt, tiếp theo do phản ứng cháy của kim loại toả nhiệt mạnh, lớp kim loại tiếp theo bị nung nóng nhanh và tiếp tục bị đốt cháy tạo thành rãnh cắt

Để cắt bằng khí, kim loại cắt phải thoả mãn một số yêu cầu sau :

+ Nhiệt độ cháy của kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy

+ Nhiệt độ nóng chảy của oxit kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại

+ Nhiệt toả ra khi kim loại cháy phải đủ lớn để nung mép cắt tốt đảm bảo quá trình cắt không bị gián đoạn

+ Oxit kim loại nóng chảy phải loãng tốt, dễ tách khỏi mép cắt

+ Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự toả nhiệt nhanh dẫn đến mép cắt bị nung nóng kém, làm gián đoạn quá trình cắt

Thép các bon có nhiệt cháy 1350°C, nhiệt độ nóng chảy trên 1500°C, nhiệt cháy đạt tới 70% lượng nhiệt cần để nung nóng nên rất thuận lợi khi cắt bằng khí Thép cacbon cao do nhiệt độ chảy thấp nên khó cắt hơn, khi cắt thường nung nóng trước tới 300°- 600°C Thép hợp kim crôm hoặc hợp kim niken do khi cháy tạo thành oxit crôm nhiệt độ chảy tới 2000°C phải dùng thuốc cắt mới cắt được , mặt khác để đảm bảo chất lượng phôi, nâng cao năng suất và hạ giá thành cắt cần phải chọn các chế độ cắt hợp lý khác nhau như áp suất khí cắt, lượng tiêu hao khí cắt, tốc độ cắt, khoảng cách cần khống chế từ mỏ cắt tới vật cắt do đó việc dùng phương pháp này để cắt thép tấm không mang lại hiệu quả kinh tế cao cũng như năng suất thấp, khó chuyển sang tự động hoá

3.3 CẮT BẰNG CHÙM TIA LASER

Trong những năm gần đây người ta đã bắt đầu sử dụng laser để cắt tất cả các vật liệu với bất kỳ độ cứng nào

Nguyên lý chung về cắt bằng laser là một phương pháp tạo rãnh cắt hoặc lỗ nhờ vào nguồn nhiệt bức xạ rất lớn của laser làm vật liệu vùng cắt cháy lỏng và bốc hơi

đi ra ngoài

Nguồn bức xạ laser (1) tạo ra chùm tia laser (2) đi thẳng hoặc đổi hướng nhờ gương phẳng (3) và được hội tụ nhờ thấu kính hội tụ có tiêu cự f trong (4) Nguồn năng lượng laser tập trung trên một diện tích rất nhỏ với mật độ dòng nhiệt tạo vùng tiếp xúc bề mặt rất cao làm vật liệu (5) nóng chảy và bốc hơi tạo thành rãnh cắt hoặc

lỗ khoan

Cắt bằng chùm tia laser có nguồn nhiệt tập trung với một mật độ nhiệt cao, vì vậy nó có thể cắt tất cả câc loại vật liệu vă hợp kim của nó Rênh cắt hẹp, sắc cạnh vă

độ chính xâc cao, ngoăi ra nó còn có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong vă có thể cắt theo câc hướng khâc nhau nhờ quâ trình cắt không tiếp xúc

Hình 3.2 Sơ đồ cắt kim loại bằng chùm tia laser

Cắt thĩp bằng chùm tia laser cho năng suất cao, có thể cơ khí koâ vă tự động hoâ

dễ dăng nhưng phương phâp năy có những hạn chế lă chiều dăy tấm cắt nhỏ hơn 20

mm , thiết bị tạo tia laser cũng như câc thiết bị điều khiển chương trình số CNC có giâ thănh cao

3.4 CẮT BẰNG CHÙM TIA PLASMA

Để tạo nín dòng câc ion người ta sử dụng sự phóng điện với khoảng câch lớn giữa hai điện cực Hồ quang sẽ chây trong một rảnh trụ kín câch điện với điện cực vă đầu mỏ phun , đồng thời nó được lăm nguội mảnh liệt vă bị ĩp bởi âp lực của dòng khí nĩn (khí trơ) Nhờ có hệ thống như vậy mă nhiệt độ có thể tăng lín 10.000 20.000oC

4

2

1 Nguồn lazer.

2 Chùm tia laz.er

3 Gương dẫn hướng.

4 Thấu kính hội tụ.

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng plasma.

a/ Sơ đồ nguyên lý máy cắt bằng plasma ;

b/ Sơ đồ cấu tạo đầu cắt plasma (9)

1- Van nước làm mát, 2 - Bình chứa khí để vận chuyển bột kim loại,3,6 - van giảm áp,

4 - Thiết bị chuyển tải bột kim loại đắp, 5- Bình chứa khí ổn định , 7- Van, 8- Thiết bị kích thích hồ

quang, 9- Đầu cắt hoặc đầu phun, 10, 11, 12 các công tắc, 13 nguồn điện.

Hình 3.4 Sơ đồ cắt bằng plasma trong thực tế.

3.5 PHƯƠNG PHÁP CẮT THÉP TẤM BẰNG ÁP LỰC LƯỠI CẮT

Thực chất của quá trình cắt kim loại bằng áp lực lưỡi cắt là sự biến dạng dẻo sau

đó đến phá huỷ kim loại Quá trình cắt đứt vật liệu chia thành 3 giai đoạn liên tục: + Giai đoạn 1: Biến dạng dẻo tập trung ở mép của dao cắt (hình 3.5a) Ứng suất tập trung làm phát sinh dòng chảy kim loại tạo thành vùng kim loại bị chèn ép bao quanh lưỡi cắt, sự chèn ép cục bộ đó sẽ phát triển đến khi toàn bộ chiều dày của kim loại đạt đến ứng suất dư để làm xuất hiện đường trượt

z z z



Hình 3.5 Các giai đoạn của quá trình cắt.

+ Giai đoạn 2: Lực cắt tăng lên bắt đầu có sự dịch chuyển tương đối giữa phần này với phần kia của tấm (hình 3.5b) Ở giai đoạn này tạo ra bề mặt nhẵn sáng bóng

và được san phẳng bởi lực ma sát F hướng dọc theo bề mặt bên của lưỡi dao những đường trượt này tạo ra đường dẻo hẹp hình bình hành, do đó biến dạng dẻo kèm theo uốn và kéo các thớ kim loại cho đến khi bắt đầu xuất hiện các vết nứt Theo kinh nghiệm giai đoạn này dao cắt ăn sâu h2 = 20 đến 80% chiều dày h của phôi tùy thuộc vào cơ tính của vật liệu và chiều dày của tấm, vật liệu càng dẽo thì h càng lớn

+ Giai đoạn 3: Dao tiếp tục đi xuống, mưc độ biến dạng tăng lên và khi đó tính dẽo của kim loại bị mất bắt đầu giai đoạn 3 Các vết nứt xuất hiện, phát triển va phá hủy kim loại cho đến khi kết thuc quá trình tách vật liệu (hình 3.4c) Sự phá hủy kim loại xẩy ra trước mép làm việc của lưỡi dao trong tấm, vì thế các vết nứt được gọi là các vết nứt phá vở trước

Tùy thuộc vào khe hở giửa các lưỡi cắt Z và độ lún sâu của lưỡi dao vào chiều dày tấm h tại thời điểm bắt đầu phá hủy, các vết nứt vở xuất phát từ các mép làm việc của lưỡi dao trên và dưới có thể song song với nhau (hình 3.6a) hoặc gặp nhau (hình 3.6b) Khi các vết nứt ở mép làm việc của các lưỡi cắt gặp nhau thì trị số khe

hở Z là tối ưu vì khi đó chất lương mặt cắt là tốt nhất, mặt cắt phẳng và nhẵn

Hình 3.6 Sơ đồ phân bố các vết nứt tại mép cắt





Trị số khe hở tối ưu được xác định nếu biết được giá trị của h và  :

Ztối ưu = (h – h2)tg

Theo kinh nghiệm của hãng ERFURT khi cắt trên máy cắt tấm dao nghiêng

Ztối ưu = 1/30 h

Có các loại máy cắt thép tấm dưới áp lực lưỡi cắt như máy cắt dao thẳng song song, máy cắt dao nghiêng, máy cắt dao đĩa,

Phương pháp cắt thép tấm bằng áp lực lưỡi cắt có ưu điểm : có năng suất cao, có thể tạo lực cắt bằng các phương pháp khác nhau, giá thành rẻ, dễ tiến hành cơ khí hoá và tự động hoá, phương pháp này phù hợp với ngành cơ khí nước ta hiện nay

Để hiểu thêm về phương pháp này ta sẽ phân tích các loại kết cấu máy và dao để chọn phương án sử dụng cho máy cắt thép tấm dưới áp lực lưỡi cắt

3.5.1 Máy cắt dao thẳng song song

3.5.1.1 Công dụng và các thông số cơ bản

+ Công dụng: Máy cắt dao thẳng song song dùng để cắt các loại phôi và sản

phẩm có tiết diện vuông, chữ nhật, tròn máy thường đặt sau máy cán phôi, cán phá, cán hình cỡ lớn có tiết diện sản phẩm là đơn giản Máy có nhiệm vụ cắt bỏ phần đầu, phần đuôi vật cán và dùng để cắt phân đoạn vật cán theo kích thước qui định Khi làm việc mặt phẳng chuyển động của dao không đổi

2 7

8 4

6

1

L

3

5



Hình 3.7 Nguyên lý cắt dao thẳng song song

1 Bàn kẹp 5 Con lăn dẫn động

2 Bàn trượt trên 6 Phôi thép

3 Cữ cắt 7 Lưỡi dao trên

4 Bàn trượt dưới 8 Lưỡi dao dưới

+ Các thông số cơ bản của máy theo trên hình 3.6:

H: Chiều cao vận hành dao

L: Chiều dài sản phẩm

S: Chiều cao lưỡi cắt

: Chiều dày lưỡi cắt S   2  5 3

h: Chiều dày vật cắt

b: Chiều rộng vật cắt

: Độ trùng dao, = (1020) mm

l : Chiều dài lưỡi cắt

l = (3  4 ) b cho các máy có p = (60  260 ) tấn

l = (2  2.5) b cho các máy có p = (1000  1600 ) tấn

Góc cắt 90°, bốn góc đều cắt được

Vật liệu làm bàn trượt: Thép CT6

Vật liệu làm dao : Thép 6XHM,5X2BC, 55XHB, 55XH2

Theo kết cấu của máy, người ta phân ra làm hai loại: Loại có dao trên di động và loại có dao dưới di động

3.5.1.2 Phương pháp xác định lực cắt

Ngày nay các máy cắt được chế tạo theo tiêu chuẩn Khi thiết kế máy mới ta tính lực cắt sao cho máy làm việc đảm bảo an toàn và không xảy ra các sự cố đáng tiếc Dù dùng loại máy cắt nào thì quá trình cắt cũng chia ra làm ba thời kỳ đó là : -Thời

kỳ cặp

-Thời kỳ cắt

-Thời kỳ đứt

* Thời kỳ cặp:

Đây là thời kỳ mà lưỡi dao ăn vào

kim loại, lúc này lực cắt của dao từ từ

tăng lên (Pcặp tăng từ P0→Pmax) Để đặc

trưng cho độ nhanh chậm của quá trình

này người ta đưa ra thông số tỷ số chiều

sâu cắt tương đối 1:

1 =

h

Z1

(3.1)

P

1 /2

a

1 /2

h

T

T P Q

Hình 3.8 Sơ đồ thời kỳ cặp

Trong đó :

Z1: chiều sâu kim loại được cắt

h : chiều dày vật cắt

* Thời kỳ cắt:

Đây là thời kỳ mà lực cắt giảm

dần xuống theo tiết diện của vật cắt

P giảm dần từ Pmax → Pmin

* Thời kỳ đứt:

Đây là thời kỳ kim loại tự đứt Để đặc trưng cho độ nhanh chậm của thời kỳ đứt, người ta đưa ra khái niệm độ sâu đứt tương đối 2 và được đặc trưng bởi tỷ số sau:

2 =

h

Z2

( 3.2) Trong đó:

Z2: là chiều sâu kim loại ở cuối hành trình cắt để sang thời kỳ tự đứt

h: là chiều dày ban đầu của vật cắt

Qua thực tế và thí nghiệm, người ta thấy rằng lực cắt lớn nhất Pmax là ở cuối thời

kỳ cặp và đầu thời kỳ cắt và Pmax được tính theo công thức sau:

Pmax = max.F k1 b.F (3.3)

Trong đó:

k1 =

b



max = 0,6  0,7

k1 = 0,7 đối với thép mềm; k1 = 0,6 đối với thép cứng

F: diện tích tiết diện được cắt, F = F1 = h1.b

b : chiều rộng vật cắt

h1: chiều dày còn lại: h1 = h - z1 = h (1- 1) ( 3.4) Thay các giá trị trên vào ( 3.3 ), ta có:

Pmax =k1.k2.k3 b.b.h1  1 (3.5) Trong đó:

k2: Hệ số kể đến sự tăng lực khi dao bị cùn

2 /2

2 /2

a

Hình 3.9 Sơ đồ thời kỳ cắt

k2 = (1,1  1,2 ) cho cắt nóng và k2 = (1,15  1,25 ) cho cắt nguội.

k3: Hệ số xét đến ảnh hưởng về khe hở của hai lưỡi dao

k3 = (1,15  1,25 ) cho cắt nóng và k3 = (1,2  1,3 ) cho cắt nguội

Trị số 1,  2tra trong bảng quan hệ giữa vật liệu cắt với 1,  2 (Bảng 8.1 [8]) Khi dao ăn vào kim loại thì phôi có chiều hướng dịch xuống hướng, khi ấy từ các cạnh của dao sinh ra một lực trượt T, lực trượt T do dao dịch xuống dưới sinh ra một momen có trị số Mt = P.a (Hình 3.8 )

Lực T và P có hướng ngược chiều nhau và có tương quan độ lớn:

T = ( 0,15  0,25 ) P

Để giảm lực trượt T và cắt sản phẩm cho chính xác, người ta dùng lực kẹp Q để giữ vật cắt Khi ấy T = ( 0,1  0,15) P Và Q = ( 0,03  0,05)P

3.5.2 Máy cắt bằng lưỡi dao đĩa

Quá trình cắt kim loại tấm dày trên máy cắt dao đĩa được thực hiện bằng những đĩa dao quay tròn, đĩa dao trên và đĩa dao dưới được quay ngược chiều nhau cùng một tốc độ góc (), vật liệu cắt được chuyển dịch nhờ lực ma sát giữa kim loại và dao đĩa Vị trí và kích thước đĩa dao được xác định phụ thuộc vào chiều dày vật liệu cắt Công việc cắt được thực hiện lấy dấu bằng tay hay đồ gá chuyên dùng Khi cắt dọc tôn tấm năng suất máy dao đĩa lớn hơn năng suất máy dao nghiêng nhưng có nhược điểm là dao thường bị uốn cong và thường phải uốn lại Để khắc phục hiện tượng này người ta thường đặt lệch trục đĩa dao trên so với dao dưới một đoạn e không lớn lắm

Máy cắt đĩa áp dụng cắt mép, dãi hẹp cắt dọc theo chiều dài tấm thẳng vô hạn Máy cắt này dùng để cắt viền và cắt mép những băng thép có chiều rộng lớn, cắt những tấm thép có kích thước nhất định theo tiêu chuẩn khi xuất xưởng Để cắt được thẳng và không bị ba via người ta làm dao có lưỡi hình tròn theo chiều của bán kính Máy cắt đĩa thường có hai loại: loại một cặp đĩa và loại nhiều cặp đĩa:

3.5.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Nguyên lý của quá trình cắt bằng lưỡi dao đĩa là nhờ vào hai đĩa quay tròn ngược chiều nhau với cùng một tốc độ quay, còn vật liệu cắt ( phôi ) được chuyển dịch nhờ ma sát giữa kim loại và dao Vị trí và kích thước của đĩa xác định theo chiều dày của vật liệu cần cắt



D

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý máy cắt đĩa

a) Loại một cặp đĩa cắt; b) Loại nhiều cặp đĩa cắt.

3.5.2.2 Đặc điểm kỹ thuật

+ Máy có độ trùng dao=(13)mm, khi chiều dày h tăng thì giảm Khi cắt thép tấm có chiều dày h>10mm thì khe hở biên y = (0,050,08).h, khi h < 0,2mm thì y =0

+ H: là chiều dày đĩa cắt, H =(0,06  0,12 )D

+ D : Đường kính đĩa cắt

- Khi chiều dày H < 3mm thì D =60H

- Khi H= (310)mm thì D = (4050)H

- Khi H > 10mm thì D =30 H

Vật liệu làm dao là các loại thép hợp kim: 5XBC, 9XC, 6XHM, 55XHHB

Dao có độ cứng HRC =6064, góc cắt của dao là 90 0

3.5.2.3 Xác định khoảng cách tâm trục A của hai dao đĩa, góc nghiêng  và đường kính D của dao

- Xác định khoảng cách tâm A:

Từ thực nghiệm và tính toán người ta đã tính được :

A = 2Rcos h

R

h







(mm) (3-6) Trong đó:

R: bán kính của đĩa dao

h : chiều dày cắt

: độ trùng dao

- Xác định góc nghiêng :























h

1 2

0



 (3-7)

- Xác định đường kính dao:

) (

2 cos

1

0 0















D



0

 : Góc ăn giữa kim loại và đĩa, thường:  0=(8o12o)

D có thể lấy theo kinh nghiệm D=(50100)h

3.5.3 Máy cắt kiểu chấn động

Dùng cắt tấm có dạng đường thẳng hoặc đường cong bất kỳ theo dấu Loại này

có hai lưỡi dao tạo thành một góc  = (21  300) số lần lưỡi cắt lên xuống: 8501300 lần /phút

3.5.4 Máy cắt thép tấm dao nghiêng

Để giảm lực trong quá trình cắt của máy cắt dao song song, người ta dùng máy cắt thép tấm lưởi dao được đặt nghiêng một góc  Khác với máy cắt dao song song, máy này có lưởi cắt chỉ một phần xác định có trị số phụ thuộc vào góc nghiêng không đổi Do đó trên một chiều dài hành trình lưởi dao trên khi dao ăn sâu vào kim loại, lực cắt không thay đổi và không phụ thuộc vào chiều rộng tấm thép Lực này nhỏ hơn rất nhiều so với lực cắt yêu cầu khi cắt cùng tấm vật liệu đó trên máy cắt dao song song

1

3 2

L

b



1

2

3

4

Z





v

Hình 3.10 Nguyên lý cắt thép tấm dao nghiêng

1 Dao dưới 3.Dao trên.

2 Phôi 4 Rảnh trượt.

Loại máy này lưỡi dao dưới nằm ngang, lưỡi dao trên nghiêng một góc  = 2

6o, lực cắt không lớn lắm, cắt được các tấm dày, cắt được các đường cong, đường cắt không thẳng và nhẵn