Skkn ứng dụng CNC vào hàn, cắt kim loại bằng plasma phục vụ công tác giảng dạy tại trường cao đẳng kinh tế kỹ thuật kiên gian

Mục tiêu chung : Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh máy hàn, cắt plasma bằng công nghệ CNC... Quá trình cắt Plasma được sử dụng để cắt kim loại dẫn điện, bằng cách dùng chất khí dẫn

THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CƠ SỞ Lĩnh vực Tự nhiên – Kỹ thuật

I THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tên đề tài: ỨNG DỤNG CNC VÀO HÀN, CẮT KIM LOẠI BẰNG PLASMA

PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - KỸ THUẬT KIÊN GIANG

1.2 Thời gian thực hiện: 12 tháng, kể từ ngày được duyệt

1.3 Kinh phí thực hiện: 5 VNĐ

Tổng kinh phí: 50 (triệu VNĐ), trong đó:

- Nguồn sự nghiệp khoa học: 30 triệu VNĐ

- Kinh phí của trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật Kiên Giang: 20 triệu VNĐ

- Nguồn khác: không

1.4 Chủ nhiệm đề tài:

Họ và tên: Dương Quang Nhựt năm sinh: 14/09/1976 Nam/Nữ: Nam Học hàm, học vị: CN.Giảng viên, chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Điện thoại: 0917672909 E-mail: dqnhut@kgtec.edu.vn

Cơ quan, đơn vị công tác: Khoa Cơ khí sửa chữa

Điện thoại: 0773.863530 Fax: 0773.863421

Địa chỉ cơ quan: 425- Mạc Cửu, Vĩnh Thanh, Rạch Giá, Kiên Giang

1.5 Thư ký đề tài:

Họ và tên: Nguyễn Hữu Bang năm sinh: 1958/ Nam/ Nữ: Nam

Học hàm, học vị: ThS.Giảng viên, chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Điện thoại: 0918243608 E-mail: nhbang@kgtec.edu.vn

Cơ quan, đơn vị công tác: Khoa cơ khí sửa chữa

Điện thoại: 0773.863530 Fax: 0773.863421

Địa chỉ cơ quan: 425- Mạc Cửu, Vĩnh Thanh, Rạch Giá, Kiên Giang

1.6 Đơn vị chủ trì, phối hợp thực hiện đề tài:

1 Tên đơn vị chủ trì : Khoa Cơ khí sửa chữa

Địa chỉ: 425- Mạc Cửu, Vĩnh Thanh, Rạch Giá, Kiên Giang

Điện thoại: (0773) 863530

Họ và tên thủ trưởng đơn vị: ThS Nguyễn Hữu Bang

Điện thoại: 0918243608 E-mail: nhbang@kgtec.edu.vn

1.7 Cơ quan quản lý đề tài

Cơ quan quản lý cấp cơ sở (trực tiếp đề tài) :Trường Cao Đẳng Kinh Tế Kỹ

Thuật Kiên Giang

Địa chỉ: 425- Mạc Cửu, Vĩnh Thanh, Rạch Giá, Kiên Giang

Điện thoại: (0773) 863530 Fax: (0773) 863530

Họ và tên thủ trưởng cơ quan: Ths Hồ Minh Triết

Điện thoại: (0773) 863530 E-mail: hominhtriet@kiengiangtec.edu.vn

Cơ quan quản lý cấp tỉnh: Sở Khoa học và Công nghệ Kiên Giang

Địa chỉ tổ chức: 320-Ngô Quyền, Vĩnh Lạc, Rạch Giá, Kiên Giang

Nội dung công việc tham gia

Thời gian làm việc cho

6 tháng

2 ThS Nguyễn Hữu

Bang

Khoa Cơ khí sửa chữa

2 tháng

3 KS.Huỳnh Chí

Trường

Khoa Cơ khí sửa chữa

Thành viên

2 tháng

II MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG ÁN TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

2.1 Mục tiêu của đề tài:

2.1.1 Mục tiêu chung : Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh máy hàn, cắt plasma

bằng công nghệ CNC

Thiết kế, gia công, lắp ráp các cơ cấu cơ khí

Thiết kế, gia công, lắp ráp hệ thống điều khiển và giao tiếp với máy tính

(hoàn thiện mô hình)

Biên soạn tài liệu giảng dạy

2.2 Tình trạng đề tài (check vào ô tương ứng):

Mới Kế tiếp hướng nghiên cứu của chính nhóm tác giả

 Kế tiếp nghiên cứu của người khác

2.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu, luận giải về mục tiêu và những nội dung nghiên cứu của đề tài:

2.3.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài:

Trạng thái Plasma không phổ biến trên trái đất, tuy nhiên trên 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma Vì thế trong bốn trạng thái kể trên, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ Ví dụ: tia sét là một dạng plasma trong tự nhiên Mặt trời cũng là một dạng plasma

Công nghệ cắt Plasma được phát minh cách đây khoảng hơn 50 năm, trong thời kỳ đỉnh cao của thế chiến thứ 2 Trong một nổ lực để cải thiện các mối nối của máy bay chiến đấu, một phương pháp hàn đã được phát triển (Gọi là hàn TIG) khi dùng một hàng rào khí trơ thổi chung quanh tia hồ quang điện để bảo vệ mối hàn khỏi quá trình oxy hóa Một vài thập kỷ sau, người ta phát hiện rằng việc giới hạn độ mở của đường khí trơ đi qua tia hồ quang điện tạo ra một loại vật chất thứ tư gọi là plasma, và nó tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn khoảng 10.000 – 15.000 °C Cùng lúc đó độ mở nhỏ hơn làm tăng tốc độ của dòng khí thoát ra, nó có khả năng thổi bay tất cả các loại kim loại mà nó

đi qua Từ đó, công nghệ này được dùng để cắt kim loại Càng ngày với sự tiến bộ của

khoa học kỹ thuật, các thiết bị cắt plasma ngày càng có chi phí thấp hơn và được thương mại hóa cách đây khoảng hơn 10 năm

Quá trình cắt Plasma được sử dụng để cắt kim loại dẫn điện, bằng cách dùng chất khí dẫn điện để chuyển năng lượng từ nguồn cấp điện qua đầu cắt đến tấm kim loại cần cắt Như chúng ta biết, chất khí (VD: Không khí, Oxy, Nitơ…) là không dẫn diện ở trạng thái bình thường Tuy nhiên, nếu cung cấp vào nguồn khí một năng lượng lớn làm ion hóa các nguyên tử khí thì nó trở nên dẫn diện Khi quá trình oxy hóa xảy ra cực mạnh cùng lúc với việc cung cấp dòng điện lên tục qua dòng khí đã bị ion hóa thì sẽ tạo ra dòng plasma Dẫn dòng plasma này đến đầu cắt để cắt kim loại Lúc này đầu cắt và tấm kim loại cần cắt tạo ra một dòng điện khép kín để duy trì tia plasma liên tục trong suốt quá trình cắt

Một hệ thống cắt plasma cơ bản bao gồm: một bộ nguồn cung cấp năng lượng, một mạch khởi động hồ quang và đầu cắt Các thành phần hệ thống cung cấp năng lượng điện, khả năng ion hóa và quy trình điều khiển là cần thiết để cho ra đường cắt chất lượng và năng suất cao trên nhiều loại kim loại khác nhau

Bộ nguồn cung cấp năng lượng là một nguồn điện một chiều liên tục có điện áp từ 240 đến 400 VDC Dòng điện ngõ ra của bộ nguồn xác định tốc độ và độ dày vật liệu cần cắt của hệ thống Chức năng chính của bộ nguồn là để cung cấp năng lượng chính xác

để duy trì hồ quang plasma sau khi ion hóa

Mạch khởi động hồ quang là một bộ phát tần số cao tạo ra một điện áp xoay chiều từ

5000 đến 10000 volt ở tần số 2 triệu Hz (2MHz) Điện áp này được sử dụng để tạo ra một hồ quang cường độ cao bên trong đầu cắt để ion hóa khí, vì thế tạo ra plasma

Đầu cắt dùng để giữ các chi tiết tiêu hao như vòi phun (béc cắt) và điện cực, cung cấp chất làm mát (khí hoặc nước) đến những bộ phận này Các vòi phun và điện cực nén và duy trì tia plasma

CÁC HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT MÁY CẮT PLASMA

Bộ nguồn cung cấp và mạch khởi động hồ quang được nối với đầu cắt qua các ống và dây dẫn bên trong Các ống và dây dẫn này cung cấp các dòng khí, dòng điện và dòng

hồ quang mồi (dòng pilot) thích hợp đến đầu cắt để mồi và duy trì quá trình

1 Đầu tiên khi một tín hiệu khởi động được gửi đến bộ nguồn cung cấp Điều này đồng thời kích hoạt điện áp 280 VDC và dòng khí đến đầu cắt Điện áp này có thể đo

từ điện cực (electrode) đến vòi phun (Nozzle) Vòi phun được nối đến cực dương của

bộ nguồn thông qua một điện trở và relay(gọi là Pilot arc relay), trong khi vật liệu cần cắt được nối trực tiếp đến cực dương Luồng khí đi qua vòi phun và thoát ra ngoài Không có tia hồ quang ở thời điểm này, cũng như không có dòng điện chạy qua nguồn

DC (Nên mới gọi là điện áp hở mạch)

2 Sau khi dòng khí ổn định, mạch khởi động hồ quang bắt đầu làm việc Với điện

áp do mạch này tạo ra khoảng từ 5000 – 10000 VAC ở tần số cao, tia lửa điện sẽ được phóng qua giữa điện cực và vòi phun bên trong đầu cắt, nơi dòng khí phải đi qua để thoát ra ngoài Năng lượng chuyển từ tia lửa điện với tần số cao qua dòng khí làm cho

nó bị ion hóa và trở nên dẫn điện Dòng khí dẫn điện này tạo thành đường dẫn điện giữa điện cực và vòi phun, và kết quả là hồ quang plasma được hình thành Dòng khí này buộc tia hồ quang này đi qua lổ của vòi phun ra ngoài, tạo thành dòng mồi hồ quang (Pilot arc)

3 Khi vòi phun đủ gần với vật liệu cần cắt, dòng hồ quang mồi sẽ đánh vào vật liệu như là đường dẫn dòng điện đến cực dương (của bộ nguồn) mà không bị giới hạn bởi điện trở như vòi phun nối đến cực dương Dòng điện chảy qua vật liệu được nhận biết bởi bộ nguồn Khi dòng điện này được phát hiện bộ khởi động hồ quang ngưng làm việc

và pilot relay sẽ mở ra Dòng khí ion hóa được duy trì với năng lượng từ hồ quang của nguồn điện một chiều

4 Nhiệt độ của hồ quang plasma sẽ làm chảy kim loại, đánh thủng qua tấm phôi và dòng khí với tốc độ cao sẽ thổi bay vật liệu nóng chảy từ phía dưới của đường cắt Tại thời điểm này đầu cắt bắt đầu di chuyển và qui trình cắt bắn đầu

5 Trường hợp đầu cắt Plasma được gắn trên máy CNC (Máy cắt plasma CNC), bộ điều khiển của máy CNC sẽ cảm ứng tín hiệu từ bộ nguồn plasma cho biết dòng hồ quang plasma đã được thiết lập thành công Lúc đó máy CNC sẽ bắt đầu di chuyển đầu cắt theo bản vẽ Đồng thời cho phép bộ điều khiển độ cao đầu cắt plasma (THC – Torch Height Controller) hoạt động, thiết bị này sẽ tự động cảm ứng và điều khiển độ cao đầu cắt lên xuống theo độ cong vênh của vật liệu, để đảm bảo độ cao của vòi phun so với bề mặt liệu luôn ổn định ở độ cao mong muốn

CÁC BIẾN THỂ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT PLASMA

Trải qua quá trình phát triển hơn nữa thế kỷ, công nghệ cắt plasma đã phát triển qua 5 thế hệ để đáp ứng với những nhu cầu cắt từ đơn giản đến nâng cao

Cắt Plasma thông thường:

Quá trình này thường sử dụng một loại khí duy nhất (Thường là khí nén hay Nitơ) cho

cả khí dùng tạo ra plasma và khí làm mát Hầu hết các hệ thống này có công suất dưới 100A, để cắt vật liệu dày dưới 15mm Chủ yếu dùng để cắt bằng tay

Cắt Plasma độ chính xác cao:

Quá trình này tạo ra chất lượng cắt cao trên vật liệu mỏng hơn, (nhỏ hơn 25mm) ở tốc

độ chậm hơn Cải thiện chất lượng này là kết quả của việc sử dụng các công nghệ mới nhất để siêu nén hồ quang, tăng đáng kể mật độ năng lượng Tốc độ chậm hơn được yêu cầu cho phép các thiết bị chuyển động để đường cắt chính xác hơn Quá trình này chỉ dành cho các ứng dụng cắt bằng máy CNC

Trong nước:

Hiện nay, máy hàn-cắt plasma thủ công (người thợ dùng tay để điều khiển mỏ cắt) đã rất phổ biến trên thị trường Việt Nam Máy hàn-cắt plasma bằng công nghệ CNC cũng đã xuất hiện trên thị trường Việt Nam, nhưng hầu như chỉ có các doanh nghiệp cơ khí có quy mô lớn mới sử dụng, các doanh nghiệp và cơ sở nhỏ việc sử dụng còn hạn chế do giá thành còn khá cao (khoảng từ 175 triệu VNĐ đến 259 triệu VNĐ) và nhân lực chưa đáp ứng kịp yêu cầu công nghệ

2.3.2 Luận giải về sự cần thiết, tính cấp bách, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài:

Ở trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật Kiên Giang, một trường cao đẳng địa phương, chưa có trang thiết bị phục vụ giảng dạy về kỹ thuật hàn-cắt plasma bằng công nghệ CNC Trước yêu cầu cần phải tháo gỡ khó khăn để đạt hiệu quả giảng dạy tốt nhất Việc này đòi hỏi người giảng viên phải nghiên cứu chế tạo mô hình phục vụ giảng dạy

Là giảng viên khoa Cơ Khí trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật Kiên Giang, trước yêu cầu cấp thiết về thiết bị giảng dạy trong lĩnh vực kỹ thuật hàn-cắt plasma bằng công nghệ cắt plasma có sự điều khiển của máy tính (Công nghệ plasma CNC) Với mong muốn góp một phần nhỏ bé công sức của mình để nghiên cứu chế tạo mô hình phục vụ

công tác giảng dạy Nhóm nghiên cứu thực hiện đề tài: “ỨNG DỤNG CNC VÀO HÀN, CẮT KIM LOẠI BẰNG PLASMA PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - KỸ THUẬT KIÊN GIANG”

2.4 Liệt kê danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu trong nước và ngoài nước

có liên quan đến đề tài đã trích dẫn khi đánh giá tổng quan:

Tài liệu nghiên cứu về công nghệ tự động:

1 Trường ĐHCN Tp.HCM - Giáo trình Các phương pháp gia công đặc biệt – tài liệu nội bộ – 2011

8 Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2004

9 Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy tập 1, 2 NXB Giáo dục, 1998

10 Nguyễn Hữu Lộc, Bài tập chi tiết máy, NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2003

11 Nguyễn Hữu Lộc, Độ tin cậy trong thiết kế kỹ thuật , NXB ĐHQGTP Hồ Chí

Minh, 2002

2.5 Nội dung nghiên cứu của đề tài:

 Nội dung 1: Nghiên cứu tài liệu và thiết kế nguyên lý

* Nguyên lý làm việc:

Nguyên lý cắt plasma dựa trên sự tận dụng nhiệt độ rất cao và tốc độ chuyển động lớn của khí từ miệng phun của đầu cắt plasma để làm nóng chảy và thổi kim loại khỏi rãnh cắt Khi ứng dụng chế độ thích hợp mép cắt phẳng không sần sùi, để tạo mép cắt vuông góc cần giảm tốc độ cắt

Đầu cắt plasma được điều khiển bỡi hệ thống CNC, thông qua giao diện từ màn hình máy tính, người vận hành có thể ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC để cắt vật liệu theo ý muốn

 Nội dung 2: Thiết kế, gia công, lắp ráp các cơ cấu cơ khí

- Thiết kế, gia công, lắp ráp phần khung

- Thiết kế, gia công, bể chứa nước làm mát vật cắt

- Thiết kế, gia công, lắp ráp các cơ cấu truyền động

- Thiết kế, gia công, lắp ráp phần mỏ cắt plasma

 Nội dung 3: Thiết kế, gia công, lắp ráp hệ thống điều khiển và giao tiếp với máy tính

 Nội dung 4

 Nội dung 5: Biên soạn tài liệu giảng dạy

2.6 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

Cách tiếp cận:

- Nghiên cứu các tài liệu về lĩnh vực cơ sở thiết kế máy

- Nghiên cứu các tài liệu về lĩnh vực điều khiển học

- Nghiên cứu các tài liệu về lĩnh vực độ tin cậy trong thiết kế kỹ thuật

- Tham khảo các loại máy cắt plasma CNC hiện có trên thị trường Việt Nam và quốc tế

- Thu thập thông tin, tài liệu, sàng lọc và chọn ra tài liệu chính để nghiên cứu

- Khảo sát các loại máy cắt plasma CNC hiện có trên thị trường Việt Nam và quốc

tế thông qua các trang WEB và các diễn đàn chuyên ngành

kỹ thuật sử dụng:

- Sử dụng kỹ thuật truyền động vít me-đai ốc bi, truyền động xích

- Sử dụng kỹ thuật điều khiển động cơ bước

- Chương trình điều khiển sử dụng phần mềm MACH3 FOR PLASMA

- Làm nguội bằng nước (bồn nước làm nguội được chế tạo bằng tole mạ kẽm 1,5mm)

- Khung máy được chế tạo bằng phương pháp hàn

- Lắp ráp cân chỉnh: Các chi tiết được lắp ráp vào nhau bằng mối ghép ren

2.7 Phương án phối hợp với các tổ chức nghiên cứu trong, ngoài nước:

2.9 Kế hoạch triển khai thực hiện:

tổ chức thực hiện*

Dự kiến kinh phí

1 Nội dung 1: Nghiên cứu tài liệu và thiết kế nguyên lý

Nghiên cứu tài liệu và thiết

2 Nội dung 2: Thiết kế, gia công, lắp ráp các cơ cấu cơ khí

- Thiết kế, gia công, lắp

ráp phần khung

Bản vẽ và hoàn thiện gia công, lắp ráp phần

đế và khung

Tháng 01 ÷ 06/2016

Nhóm cán bộ thực hiện đề tài

- Thiết kế, gia công, bể

chứa nước làm mát vật

cắt

Bản vẽ và hoàn thiện gia công, lắp ráp phần

bể chứa nước làm mát vật cắt

- Thiết kế, gia công, lắp

ráp các cơ cấu truyền

động

Bản vẽ và hoàn thiện gia công, lắp ráp các

cơ cấu truyền động

- Thiết kế, gia công, lắp

ráp phần mỏ cắt plasma

Bản vẽ và hoàn thiện gia công, lắp ráp phần

mỏ cắt plasma

3 Nội dung 3: Thiết kế, gia công, lắp ráp hệ thống điều khiển và giao tiếp với máy tính

- Thiết kế, gia công, lắp

ráp các bộ điều khiển

môtơ

Hoàn thiện gia công, lắp ráp các bộ điều khiển môtơ

Tháng 07 ÷ 08/2016

Nhóm cán bộ thực hiện đề tài

- Thiết kế, gia công, lắp

ráp bộ điều khiển và giao

tiếp với máy tính

Hoàn thiện gia công, lắp ráp bộ điều khiển

và giao tiếp với máy tính

4 Nội dung 4:

Máy hàn-cắt plasma Tháng Nhóm

bằng công nghệ CNC 09/2016 cán bộ

thực hiện đề tài

5 Nội dung 5: Biên soạn tài liệu giảng dạy

Biên soạn tài liệu

giảng dạy Tài liệu giảng dạy

Tháng 10/2016 Cá nhân

6 Nội dung 6: Báo cáo nghiệm thu

Báo cáo nghiệm thu

Tài liệu báo cáo, sản phẩm nghiên cứu và tài liệu giảng dạy

Tháng 11/2016

Nhóm cán bộ thực hiện đề tài

III SẢN PHẨM KH&CN VÀ TÁC ĐỘNG LỢI ÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Sản phẩm KH&CN chính của Đề tài và yêu cầu chất lƣợng cần đạt (Liệt kê theo

dạng sản phẩm)

3.1 Sản phẩm dạng I: Mẫu (model, maket); Sản phẩm (là hàng hoá, có thể được tiêu thụ

trên thị trường); Vật liệu; Thiết bị, máy móc; Dây chuyền công nghệ; Giống cây trồng;

Giống vật nuôi và các loại khác;

Số

TT

Tên sản phẩm cụ

thể và chỉ tiêu chất

lƣợng chủ yếu của

sản phẩm

Đơn vị tính

số lƣợng/ quy mô sản phẩm tạo ra Cần đạt

- Đạt độ ổn định và độ bền cao Sai số gia công, lắp ráp không quá 0,1mm Sai số vị trí khi làm việc không quá 1mm

01