Thiết kế chế tạo mô hình máy cắt kính

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH KÍNH TẤM Trong chương này sẽ trình bày về các vấn đề sau: - Ứng dụng của kính tấm trong xây dựng - Đặc điểm của các hình thức cắt kính bằng t

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH KÍNH TẤM 11

1.1 Ứng dụng của Kính Tấm 11

1.2 Hai hình thức cắt kính 12

1.2.1 Cắt kính bằng tay 12

1.2.2 Cắt kính bằng máy 14

1.3 Các phương pháp tạo hình kính tấm 17

1.3.1 Phương pháp cắt kính sử dụng tia laser 17

1.3.2 Phương pháp cắt kính bằng tia nước có hạt mài 24

1.3.3 Phương pháp cắt kính sử dụng lưỡi cắt kim cương 28

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP CẮT KÍNH SỬ DỤNG LƯỠI CẮT KIM CƯƠNG 30

2.1 Các yếu tố cơ bản trong quá trình cắt 30

2.1.1 Chiều sâu cần thiết của vết nứt 30

2.1.2 Rãnh chứa phoi 31

2.1.3 Hiện tượng phục hồi vết nứt 32

2.1.4 Ứng suất dư 32

2.1 5 Sự mở rộng vết cắt 32

2.1.6 Miền tiếp xúc, miền áp lực làm việc và ảnh hưởng của các thông số lưỡi cắt 33

2.2 Các chỉ tiêu chất lượng 34

2.2.1 Yêu cầu chất lượng vết cắt: 34

2.2.2 Yêu cầu chất lượng mặt cắt sau khi tách 34

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt 34

2.3.1 Độ cứng vững của hệ thống công nghệ 35

2.3.2 Kết cấu hệ thống đầu cắt 35

2.3.3 Áp lực của đầu cắt và các thông số hình học của lưỡi cắt 38

2.3.4 Chế độ gia công tinh lưỡi cắt 40

2.3.5 Tốc độ cắt - chế độ chăm sóc lưỡi cắt 41

2.3.6 Dung dịch cắt 42

2.3.7 Ứng suất dư 44

2.3.8 Tuổi thọ lưỡi cắt 45

2.4 Chọn chế độ cắt 46

CHƯƠNG III PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY 47

3.1 Yêu cầu kỹ thuật của máy 47

3.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy 49

3.2.1 Phương án 1- sử dụng cánh tay máy điều khiển đầu cắt 49

3.2.2 Phương án 2- Bàn máy di chuyển trên các trục, đầu cắt đứng yên 50

3.2.3.Phương án 3- Đầu cắt di chuyển trên các trục, bàn máy đứng yên 51

3.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý máy 52

3.3.1 Sơ đồ khối 53

3.3.2 Nguyên lý hoạt động của máy 53

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH 55

4.1 Phân tích hoạt động của các cụm chi tiết 55

4.1.1 Bàn máy 55

4.1.2 Trục X 55

4.1.3 Trục Y 56

4.1.4 Hệ thống đầu cắt 59

4.1.5 Các cụm chi tiết phụ 61

4.2 Thiết kế các cụm trục X,Y 61

4.2.1 Phân tích chọn bộ truyền 61

4.2.2 Phân tích chọn cơ cấu dẫn hướng 68

4.2.3 Tính toán bộ truyền đai răng 70

4.2.4 Tính toán độ biến dạng trên các trục 74

CHƯƠNG V THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 79

5.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống điều khiển 79

5.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển 79

5.1.2 Hướng giải quyết 81

5.2 Lý thuyết chung về hệ thống điều khiển máy cắt kính 89

5.2.1 Giải thuật PID 89

5.2.3 Enconder quang tương đối - Bộ điều xung 101

5.3 Thiết kế các cụm điều khiển chính của máy cắt kính 104

5.3.1 Điều khiển động cơ Servo bằng IC ATMEGA 16 104

5.3.2 Phương án lựa chọn vi điều khiển 110

5.3.3 Lựa chọn động cơ và encoder 115

5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển và lập trình phần mềm 119

5.4.1 Thuật toán nội suy đường thẳng 119

5.4 2 Thuật toán nội suy đường tròn 120

CHƯƠNG VI THỬ NGHIỆM MÁY CẮT KÍNH 123

6.1 Kiểm nghiệm thực tế 123

6.1.1 Thực hiện chạy không các trục của máy cắt kính: 123

6.1.3.Thực hiện cắt kính qua tọa độ (tự động): 128

6.2 Hướng dẫn sử dụng máy 129

6.3 Kiểm tra, bảo dưỡng và bảo trì 130

KẾT LUẬN 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ : “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” là

công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, các số liệu trong Luận văn là số liệu trung thực

Hà Nội, Ngày tháng 9 Năm 2012

Trần Quang Huy Học viên lớp CB2010B- Mã Học viên: CB101247

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ

Hình 1.1.Dụng cụ cắt kính cầm tay 13

Hình 1.2.Máy cắt kính sử dụng tia laser 15

Hình 1.3.Máy cắt kính sử dụng tia nước có hạt mài 16

Hình 1.4.Máy cắt kính CNC sử dụng lưỡi cắt kim cương 16

Hình 1.5 Quá trình cắt kính không chất làm lạnh 18

Hình 1.6 Mô tả quá trình cắt kính dùng tia laser 19

Hình 1.7 Sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trên bề mặt tấm kính 21

Hình 1.8.Ứng suất kéo trên tấm kính 22

Hình 1.9 Phương pháp tạo vết nứt tế vi (a), và trên toàn bộ chiều dày (b) 23

Hình 1.10.Mô tả quá trình cắt kính bằng tia nước có hạt mài 26

Hình 2.1.Sự xuất hiện vết nứt 31

Hình 2.2.Kết cấu hệ thống đầu cắt thông dụng 36

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của góc nghiêng lưỡi cắt và áp suất nén đến vết cắt 40

Hình 2.3.Sự phân bố ứng suất bên trong tấm kính 45

Hình 2.4.Vết cắt khi cắt bằng lưỡi cắt 46

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý chung 47

Hình 3.2.Sơ đồ sử dụng cánh tay máy điều khiển đầu cắt 49

Hình 3.3.Sơ đồ di chuyển bàn máy 50

Hình 3.4.Sơ đồ di chuyển đầu cắt 51

Hình 3.5 Sơ đồ khối cơ khí 53

Hình 4.1: Cụm chi tiết trục Y 57

Hình 4.3 : Các dạng đai 63

Hình 4.4 : Bộ truyền đai răng 63

Hình 4.5.Bộ truyền bánh răng- thanh răng 65

Hình 4.6 Bộ truyền xích 67

Hình 4.7 Cơ cấu dẫn hướng dạng chữ V, và dạng đuôi nén 69

Hình 4.8 Dẫn hướng dạng trụ tròn 70

Hình 4.9 Sơ đồ bố trí trục Y 74

Hình 4.10 Sơ đồ dầm tương đương 75

Hình 4.11 Các biểu đồ mômen 76

Hình 4.12 Biểu đồ momem gây bởi lực đơn vị Pk = 1 77

Hình 4.13.Bản vẽ máy 78

Hình 5.1 Lưu đồ thuật toán cho hệ thống 80

Hình 5.2 Giải pháp thứ nhất cho sơ đồ khối hệ thống 81

Hình 5.3 Giải pháp thứ hai cho sơ đồ khối hệ thống 83

Hình 5.4 Giải pháp thứ ba cho sơ đồ khối hệ thống 84

Hình 5.5 Giải pháp thứ tư cho sơ đồ khối hệ thống 86

Hình 5.6 Sơ đồ chi tiết của hệ thống 88

Hình 5.6: Ví dụ điều khiển vị trí xe trên đường thẳng 89

Hình 5.7 Hệ tọa độ nội suy đường thẳng 93

Hình 5.8 Sơ đồ thuật toán nội suy đường thẳng 93

Hình 5.9 Hệ tọa độ nội suy đường tròn 94

Hình 5.10 Sơ đồ thuật toán nội suy đường tròn 95

Hình 5.11 Vi mạch MAX 99

Hình 5.12 Kết nối cổng COM với MAX 100

Hình 5.13 Encoder quang 101

Hình 5.14 Hai kênh A và B lệch pha trong encoder 103

Hình 5.15 Tín hiệu hồi tiếp từ encoder 105

Hình 5.16 Biên dạng hình thang mẫu biểu diễn biên dạng vận tốc 106

Hình 5.17 Hoạt động đọc Byte trạng thái 108

Hình 5.18 Hoạt động ghi Byte lênh 108

Hình 5.19 Hoạt động đọc dữ liệu 109

Hình 5.20 Hoạt động ghi dữ liệu 109

Hình 5.21 Ngõ ra PWM của LM629 với tần số hoạt động là 8MHz 110

Hình 5.22 Sơ đồ khối của Atmega16 111

Hình 5.23 Cấu trúc chân của AVR 112

Hình 5.24 Sơ đồ mạch điêu khiển động cơ 117

Hình 5.25 Hình ảnh máy cắt kính 117

8 Hình 5.26 Lưu đồ thuật toán nội suy đường thẳng 119

Hình 5.27 Lưu đồ thuật toán nội suy đường tròn 121

Hình 5.28 Một số hình ảnh giao diện 122

Bảng 6.1: Thử nghiệm không tải với U= 20V 124

Bảng 6.2: Thử nghiệm không tải với U= 24V 126

Bảng 6.3: Thử nghiệm sai lệch quãng đường với U= 24V 126

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong thời đại hiện hiện nay, khi chất lượng cuộc sống của con người được nâng cao, việc tạo ra các sản phẩm nhanh, có tính thẩm mỹ và mang lại tính kinh tế cao là điều vô cùng cấp thiết Một trong số những sản phẩm đó là kính tấm, dùng để phục vụ cho nhu cầu xây dựng Bởi kính tấm là loại vật liệu nhẹ, tạo hình nhanh, bền, đẹp và có tính kinh tế cao Do đó việc thực hiện gia công (cắt) kính đạt yêu cầu kỹ thuật và kinh

tế là yêu cầu vô cùng cấp thiết Đề tài: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”

nhằm tìm ra giải pháp nhằm giải quyết nhu cầu cấp thiết trên

2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Để nghiên cứu chế tạo mô hình máy cắt kính được thành công, trước hết ta phải nắm rõ nguyên lý cắt kính Do vật liệu kính là một trong những loại vật liệu đặc biệt khác hẳn với những loại vật liệu gia công thông thường, nên phương pháp cắt kính cũng khác hoàn toàn

Cắt kính tấm là một trong những công việc khó khăn cho người thợ cắt kính vì kính tấm thường có kích thước lớn, khó vận chuyển và dễ vỡ Bởi vậy việc nghiên cứu cắt kính tấm là một công việc khó khăn và đầy thử thách Nó đòi hỏi tính kiên trì cao và cẩn thận tuyệt đối trong công việc

Sau khi đã nắm rõ nguyên lý cắt kính, ta phải thực hiện thiết kế và lựa chọn phương pháp nhằm thực hiện tốt nhất nguyên lý cắt kính Lựa chọn phương án và chế tạo phần cơ khí là một trong những phần quan trọng nhất nhằm đem lại thành công cho

đề tài Do đó đòi hỏi người nghiên cứu phải hiểu và tìm hiểu thêm về kiến thức cơ khí chế tạo máy như: Nguyên lý- chi tiết máy, máy cắt kim loại, máy công cụ và công nghệ CNC

Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, điều khiển dễ dàng thì việc tạo ra một

hệ thống điện tử hoạt động ổn định là điều vô cùng quan trọng Vậy nên cần đòi hỏi phải chọn được phương án thiết kế modun điều khiển tối ưu

3 Phương pháp nghiên cứu

Để quá trình nghiên cứu đi đúng hướng và đạt kết quả tốt thì việc kế thừa lại các thành tựu khoa học công nghệ trước đó là vô cùng quan trọng

Máy cắt kính trên thế giới đã được nghiên cứu và đưa vào sản suất được một quãng thời gian không ngắn Do đó máy cắt kính trên thế giới đã đạt được yêu cầu về tính công nghệ cao về kết cấu và tính mỹ thuật Có thể kể ra các loại máy cắt kính đang được dùng trên thế giới như: máy cắt kính laser YH 2000D, máy cắt tia nước hạt mài CNC TTP-380…

Nhu cầu cắt kính trong nước ta hiện nay đang tăng theo nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và những công trình mang tính thẩm mỹ cao của quốc gia Tuy nhiên chưa có nhiều nhà máy có thể đáp ứng được nhu cầu cấp thiết mang tính thập kỷ này Còn các

cơ sở nhỏ lẻ chủ yếu vẫn sử dụng dao cắt kính kim cương cầm tay với lực cắt phụ thuộc nhiều vào tay nghề người thợ

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Đề tài: “Thiết kế chế tạo mô hình máy cắt kính” nhằm tăng thêm lựa chọn cho ngành công nghiệp gia công kính còn non trẻ tại Việt Nam Với điều kiện hạn hẹp người nghiên cứu chỉ đưa ra nguyên lý cắt kính và mô phỏng lại quá trình chuyển động của các trục trong khi cắt kính Mô hình máy cắt kính chưa thể đưa vào sản xuất phục

vụ công nghiệp xây dựng nói chung tại Việt Nam nhưng đề tài đặt nền móng đầu tiên cho quá trình tự xây dựng và lắp ráp máy cắt kính mang thương hiệu Việt Nam

5 Kết cấu của Luận văn

Luận văn được xây dựng dựa trên quá trình nghiên cứu và chế tạo mô hình thực

tế máy cắt kính Được sự hướng dẫn tận tình của TS Lê Thanh Sơn, đề tài gồm 6 chương, có kết cấu như sau:

Chương I: Tổng quan về phương pháp tạo hình kính tấm

Chương II: Phương pháp cắt kính sử dụng lưỡi cắt kim cương

Chương III: Phân tích chọn phương án thiết kế máy

Chương IV: Thiết kế các cụm chi tiết chính

Chương V: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương VI: Thử nghiệm Máy cắt kính

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH KÍNH TẤM

Trong chương này sẽ trình bày về các vấn đề sau:

- Ứng dụng của kính tấm trong xây dựng

- Đặc điểm của các hình thức cắt kính bằng tay và cắt kính bằng máy, ưu nhược điểm

- Các phương pháp tạo hình kính tấm

1.1 Ứng dụng của Kính Tấm

Từ những năm 50 của thế kỉ XX, người ta đã phát triển được những loại thủy tinh có tính phản quang thấp, tính chống mài mòn và độ bền cao, trong khi đó nếu so sánh với các vật liệu kim loại có cùng cơ tính thì thủy tinh nhẹ, có tính thẩm mĩ cao và giá thành rẻ hơn rất nhiều Từ đó, thủy tinh ngày càng có nhiều ứng dụng, đặc biệt là các loại thủy tinh tấm được sử dụng nhiều trong đời sống và nhất là trong ngành xây dựng

Trong xây dựng, kính tấm đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều trong tất

cả các công trình Kính tấm được sử dụng làm từ trần nhà, tường, cửa hoặc thậm chí là gạch, tới các vật dụng trang trí trong nhà như gương, khung tranh v v… Những ưu điểm sau giúp cho kính tấm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng:

- Thủy tinh là vật liệu trong suốt, do đó sử dụng thủy tinh làm tường hoặc làm cửa đảm bảo cho một lượng lớn ánh sáng mặt trời chiếu vào trong nhà, thay vì phải phụ thuộc vào các nguồn sáng nhân tạo Đồng thời việc sử dụng kính cũng giúp cho sự hòa trộn giữa ánh sáng bên trong và bên ngoài tốt hơn, tạo cho nhà

ở một không gian thoáng đãng và góp phần cải thiện sức khỏe của người sống hoặc làm việc bên trong đó

- Thủy tinh có thể tái chế hoàn toàn, do đó đây là vật liệu rất tiết kiệm và thân thiện với môi trường

- Việc gia công kính tấm dễ dàng hơn so với gia công các vật liệu kim loại, có thể cắt được các tấm kính có kích thước lớn và hình dạng tùy ý, do đó sử dụng kính

có thể thiết kế được công trình có hình dạng rất phong phú

- Thủy tinh là vật liệu cách âm tốt

- Vệ sinh dễ dàng

Kính sử dụng trong xây dựng có hình dáng rất phong phú, tuy nhiên các tấm kính chỉ được đưa ra khỏi các nhà máy cán ép dưới dạng tiêu chuẩn với các kích thước xác định, do đó để có thể sử dụng được, cần phải có nguyên công tạo hình cụ thể Với các yêu cầu ngày càng cao của các công trình xây dựng, một điều tất yếu là phải phát triển được những phương pháp tạo hình kính tấm đảm bảo chất lượng, thẩm mĩ và năng suất Mặt khác, thủy tinh là loại vật liệu giòn nên không thể áp dụng được các phương pháp gia công cắt gọt như đối với các loại vật liệu thông thường khác Tùy thuộc vào yêu cầu về chất lượng và quy mô, có thể cắt kính tấm theo 2 phương pháp:

Dụng cụ chủ yếu khi cắt kính bằng tay là dao cắt gồm một cán cầm trên đó có gắn lưỡi cắt có thể quay xung quanh 1 trục nằm ngang Hầu hết dụng cụ cắt là những dụng cụ chính xác, sử dụng lưỡi cắt bằng cacbit vônfram hoặc lưỡi cắt kim cương và được gá trên một cán dài để tạo lực khi cắt Cán cầm thường nặng và có kích thước vừa với tay của người công nhân để dễ dàng khi sử dụng

Hình 1.1.Dụng cụ cắt kính cầm tay

Quy trình khi cắt kính bằng tay:

- Lau sạch khu vực xung quanh vị trí định cắt trên bề mặt tấm kính

- Đặt tấm kính lên bàn máy, xác định kích thước cần cắt và lấy dấu Dụng cụ lấy dấu phải khô, sạch và đường dấu phải được lau sạch dễ dàng sau khi cắt

- Bôi dung dịch cắt lên vị trí vết cắt

- Đặt lưỡi cắt hướng dọc theo đường dấu, sau đó tạo một vết cắt trên bề mặt tấm kính bằng cách rạch một đường dọc theo đường dấu, từ 1 mép tấm kính sang tới mép kia với áp lực vừa đủ Lưu ý chỉ vạch một đường duy nhất

- Tách tấm kính bằng cách cung cấp cho nó một momen uốn vào mặt đối diện với vết cắt

1.2.1.2 Ưu, nhược điểm

 Ưu điểm:

- Thuận tiện, có thể ứng dụng ở mọi địa điểm

- Có khả năng đáp ứng nhanh với các vấn đề không nhìn thấy được: người công nhân có thể phát hiện dễ dàng các vấn đề như bề mặt cứng, kính được xử lý nhiệt

không tốt v.v và xử lý các tình huống rất nhanh chóng ngay trong quá trình cắt

 Nhược điểm:

- Năng suất thấp, chủ yếu cắt những sản phẩm có kích thước nhỏ

- Độ đồng đều về chất lượng vết cắt và kích thước sản phẩm không cao do áp lực

sinh ra bởi tay không đồng đều giữa các lần cắt

- Sản phẩm không đảm bảo các yêu cầu về độ vuông góc hay song song giữa các

mép

- Trong quá trình cắt cần đến nhiều dụng cụ phụ như thước dẫn, thước đo, dụng

cụ lấy dấu v.v…

- Người công nhân dễ bị chấn thương trong quá trình cắt do đó cần có các vật

dụng bảo hộ như găng tay, kính mắt, mặt nạ v.v…

- Dễ xuất hiện các vết sai hỏng Các vết sai hỏng về phía đáy thường sinh ra khi tách tấm kính, vết sai hỏng về phía trên thường sinh ra khi cắt, chiều sâu vết cắt

không đồng đều do áp lực sinh ra không đồng đều trong một lần cắt v.v…

- Khả năng gây vỡ lưỡi cắt cao

- Không cắt được các loại kính tôi, kính nhiều lớp v.v…

1.2.2 Cắt kính bằng máy

1.2.2.1 Đặc điểm

Trước đây, tất cả các loại kính tấm sử dụng trong đời sống đều được cắt bằng tay Tuy nhiên cùng với sự phát triển của công nghệ thì cũng nảy sinh một yêu cầu bức thiết là phải xây dựng được một hệ thống sản xuất đảm bảo năng suất cao, chất lượng

sản phẩm và sự đa dạng về chủng loại để đáp ứng nhu cầu của thị trường Tất cả những yêu cầu này, phương pháp cắt kính bằng tay không thể đáp ứng

Có nhiều loại máy cắt kính với nhiều nguyên lý hoạt động khác nhau, nếu phân loại theo cấu tạo lưỡi cắt, các loại máy cắt kính tấm được chia thành 3 loại chính sau:

- Máy cắt kính sử dụng chùm tia laser

- Máy cắt kính sử dụng tia nước có hạt mài

- Máy cắt kính sử dụng lưỡi cắt bằng kim cương

Hình 1.2.Máy cắt kính sử dụng tia laser

Hình 1.3.Máy cắt kính sử dụng tia nước có hạt mài

Hình 1.4.Máy cắt kính CNC sử dụng lưỡi cắt kim cương

Về cấu tạo chung, bất kỳ máy cắt kính nào cũng bao gồm ít nhất 3 trục chuyển động X,Y,Z Các trục X và Y điều khiển chuyển động của lưỡi cắt theo biên dạng cần cắt trên mặt phẳng bàn máy, còn trục Z điều khiển đầu cắt chuyển động theo phương

vuông góc bàn máy Lưỡi cắt được điều khiển dựa trên 2 thông số: phương và tốc độ cắt Đối với các loại máy sử dụng lưỡi cắt bằng kim cương, lưỡi cắt còn phải được điều khiển góc xoay quanh trục vuông góc với bàn máy để đảm bảo nó luôn ở phương vuông góc với quỹ đạo chuyển động tại vị trí tiếp xúc

1.2.2.2.Ưu điểm so với quá trình cắt kính bằng tay

- Năng suất cao, cắt được mọi kích cỡ và hình dạng tùy vào kích thước bàn máy

- Đảm bảo được độ đồng đều về chất lượng sản phẩm trong cả loạt

- Đảm bảo các yêu cầu về độ vuông góc và song song giữa các mép tấm kính

- Cắt được mọi loại kính Kính cường lực được cắt bằng tia nước có hạt mài còn các loại kính nhiều lớp có thể cắt bằng tia laser

- Vận hành máy đơn giản

1.3 Các phương pháp tạo hình kính tấm

1.3.1 Phương pháp cắt kính sử dụng tia laser

1.3.1.1.Phương pháp cắt laser không có vết cắt(Zero Width Laser Cutting Technology TM (ZWLCT TM ))

là phương pháp gia công sử dụng chùm tia laser được điều khiển

công suất, tác dụng lên bề mặt vật liệu giòn nhằm tạo ra lực bề mặt lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử vật liệu Phương pháp này cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong các phương pháp gia công được biết đến từ trước tới nay

Phương pháp này sử dụng chùm tia laser không tiếp xúc với bề mặt vật liệu gia công để sinh ra ứng suất bên trong vật liệu, từ đó gây ra sự phân tách tấm vật liệu Do không có tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và vật liệu gia công nên sự giảm cơ tính bề mặt cùng với vết cắt và sự gẫy vỡ tại vết cắt bị loại trừ Sự biến dạng được loại trừ đáng kể Ngoài ra phương pháp này còn cho phép tiết kiệm được chi phí vệ sinh phân xưởng do cắt không có phoi

Trong phương pháp ZWLCT TM

, chất lỏng làm lạnh được bơm vào tùy theo lượng nhiệt cung cấp với mật độ công suất thích hợp, điều này dẫn đến sự phân tách các phân tử ở bề mặt vật liệu dưới một chiều sâu nhất định t Chiều sâu t tỉ lệ nghịch với vận tốc cắt v trong điều kiện công suất P không thay đổi, tức là vận tốc càng chậm thì chiều sâu vết nứt tế vi càng lớn

Hình 1.5 Quá trình cắt kính không chất làm lạnh

Hiện nay người ta đã chế tạo được những máy cắt tia laser có thể tạo ra lực kéo

đủ lớn để tách một số loại kính mà không cần sử dụng chất làm lạnh Trong trường hợp này vết nứt tế vi có thể lan truyền tới độ sâu lớn hơn 0,7mm

1.3.1.1 Quá trình cắt kính bằng tia laser

a, Nguyên lý

Cắt kính bằng tia laser không phải là một công nghệ mới, nó đã cho các kết quả rất tốt trong các nghiên cứu và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy Đây là quá trình có điều khiển dùng để cắt kính hoặc các vật liệu giòn khác sử dụng chùm tia laser, người ta thường sử dụng chùm tia laser CO2 hoặc chùm tia NIR-laser (chùm tia hồng ngoại gần) Do thủy tinh hấp thụ tốt tia laser CO2 nên phần lớn năng lượng sẽ được hấp thụ tại lớp bề mặt của tấm kính Tại đây 90% trong số đó được chuyển thành nhiệt năng nung nóng lớp bề mặt kính, chiều sâu xâm nhập thường từ 10÷ 50µm Trái với chùm tia laser CO2, tia NIR-laser do ít bị hấp thụ nên sẽ có đủ thời gian để làm tăng nhiệt độ của toàn bộ khối kính Trong phương pháp này, các tia NIR-laser có bước sóng nhỏ hơn 2µm, đặc biệt các tia có bước sóng 1,030µm hoặc

1,064µm cho hiệu quả tốt nhất Trong phạm vi đề cập của đồ án này, sẽ chỉ quan tâm đến quá trình cắt sử dụng chùm tia laser CO2

Cắt kính bằng tia laser có thể tạo ra một vết cắt có chất lượng cao, với những vết nứt tế

vi trên bề mặt vật liệu Điều này đạt được nhờ quá trình tách lớp kính có điều khiển thông qua sự kết hợp hai quá trình nung nóng và làm mát Quá trình cắt kính bằng tia laser có thể phân chia theo các bước sau:

- Bề mặt kính bị đốt nóng dưới tác dụng của tia laser

- Lớp bề mặt bắt đầu xuất hiện ứng suất nén nhưng chưa bị phá hủy

- Khi chất làm mát được bơm vào bề mặt tấm kính, xuất hiện vết nứt

- Độ chênh lệch nhiệt độ lớn sinh ra ứng suất kéo lớn trên bề mặt tấm kính

- Vết nứt ban đầu lan dần trên toàn bộ chiều dày tấm kính

Hình 1.6 Mô tả quá trình cắt kính dùng tia laser

Một điều cần lưu ý khi đốt nóng tấm kính bằng chùm tia laser là sự sai lệch cục

bộ giữa mặt cắt có tia laser chiếu vào và điểm có nhiệt độ cao nhất trên bề mặt tấm kính Có nghĩa là điểm có nhiệt độ cao nhất trên bề mặt tấm kính không hẳn đã nằm trên mặt cắt chiếu tia laser Độ chênh lệch này phụ thuộc vào tốc độ của chùm tia laser

Điều này cho phép tùy chỉnh nhiệt độ cao nhất của tấm kính trong suốt quá trình cắt bằng cách điều chỉnh tốc độ di chuyển của chùm tia laser

Các vếtnứt là kết quả của sự chênh lệch ứng suất giữa lớp lõi và lớp bề mặt của tấm kính Trong giai đoạn đốt nóng, chùm tia laser gây nên ứng suất nén trên suốt chiều dày tấm kính Trong giai đoạn làm lạnh, lớp ngoài cùng co lại đột ngột trong khi lớp bên trong chưa kịp co, do đó lớp ngoài chịu ứng suất kéo còn lớp lõi chịu ứng suất nén Do sự chênh lệch ứng suất lớn, lớp bề mặt xuất hiện vết nứt tế vi, vết nứt này lan dần theo suốt chiều dày tấm kính Độ chênh lệch ứng suất được tính theo công thức sau:

Hình 1.7 Sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trên bề mặt tấm kính

Hình 1.8.Ứng suất kéo trên tấm kính

Các thông số của quá trình cắt phụ thuộc vào một vài yếu tố Hình dạng của vật liệu gia công và quỹ đạo của chùm tia laser có liên quan đến lực cần thiết để tách tấm kính Khả năng hấp thụ của tấm kính có liên quan đến công suất cần thiết của chùm tia laser Ngoài ra độ hội tụ và loại tia laser cũng ảnh hưởng đến mật độ và sự phân bổ năng lượng trên tấm kính

Hình dạng và kích thước của phôi có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phân tách Với các quá trình cắt theo đường thẳng, thì tốc độ phân tách phụ thuộc chủ yếu vào tỉ

lệ giữa chiều dài và chiều rộng trong khi ứng suất kéo cần thiết để gây ra vết nứt phụ thuộc độ cứng của bề mặt Ví dụ, với cùng một tấm kính dày 8mm, chiều dài và chiều rộng không đổi, nếu tăng tỉ lệ giữa chiều dài và chiều rộng bằng 8 vết khía dọc, thì tốc

độ phân chia tối đa có thể tăng đến 28% Phôi càng hẹp, thì quá trình cắt diễn ra càng nhanh Với các vết cắt có hình dạng phức tạp, ta chia nó thành nhiều đường thẳng nhỏ Trong mỗi quá trình cắt nhỏ đó, thì tỉ lệ giữa chiều dài và chiều rộng cũng có ảnh hưởng tương tự như trên Như vậy, với bất kỳ quỹ đạo nào thì tỉ lệ giữa chiều dài và chiều rộng của phôi cũng có ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ phân chia

Đối với kính nhiều lớp, sự tích tụ năng lượng trên một đơn vị chiều dày là yếu

tố rất quan trọng Nếu năng lượng lớn có thể dẫn tới cháy các lớp liên kết giữa các lớp kính trong quá trình ghép Ngược lại nếu năng lượng không đủ sẽ khiến vết nứt không phát triển được

Cắt kính bằng tia laser có thể chia thành hai phương pháp:

- Tạo vết nứt trên toàn bộ chiều dày( Full Body Crack method):

Trong trường hợp này, vết nứt xuất hiện xuyên qua toàn bộ chiều dày tấm kính,

do đó không cần bất kỳ tác động nào khác để tách tấm kính Phương pháp này thường được sử dụng để cắt kính tấm có chiều dày tối đa khoảng 1,1mm Phương pháp này cho vết cắt có chất lượng rất cao, tuy nhiên lại có nhược điểm là vận tốc cắt nhỏ, khoảng 2m/phút

- Tạo vết nứt tế vi( Micro Crack method):

Trong trường hợp này, vết nứt chỉ phát triển ở một phần nhỏ trên bề mặt của tấm kính, chiều sâu đạt từ 30-100µm tùy thuộc chất liệu và bề dày kính Phương pháp này áp dụng được cho gần như mọi độ dày của tấm kính, sau khi tạo vết nứt bằng tia laser vẫn cần quá trình tách giống như trong phương pháp thông thường dùng lưỡi cắt

Ưu điểm của phương pháp là tốc độ cắt nhanh và chất lượng cũng xấp xỉ phương pháp tạo vết nứt trên toàn bộ chiều dày

Hình 1.9 Phương pháp tạo vết nứt tế vi (a), và trên toàn bộ chiều dày (b)

b, Ưu, nhược điểm của phương pháp

 Ưu điểm:

Phương pháp cắt kính không có vết cắt ưu việt hơn so với các phương pháp cắt kính truyền thống Sự kết hợp hợp lý giữa các quá trình nung nóng và làm lạnh ( chùm tia laser đốt nóng một cách chính xác một đường trên bề mặt kính và theo sau nó là dòng không khí hoặc dòng hỗn hợp không khí + chất lỏng để làm lạnh), có thể tạo ra ứng suất kéo gây nên khe nứt chính xác trên tấm kính Các ưu điểm chính của phương pháp:

- Độ chính xác cao về tương quan hình học giữa các bề mặt

- Vết cắt rất nhỏ

- Mép tấm kính không bị vỡ và gần như đảm bảo chất lượng quang học

- Tiết kiệm được chi phí cho các quá trình làm sạch, mài, đánh bong và thử đứt gãy

- Không gây thất thoát vật liệu

- Không có phoi, có thể đặt trong các phòng yêu cầu độ sạch cao

 Nhược điểm;

- Yêu cầu năng lượng lớn

- Hiệu suất thấp

- Khó điều chỉnh công suất ra

- Không cắt được các loại kính tôi

1.3.2 Phương pháp cắt kính bằng tia nước có hạt mài

1.3.2.1 Giới thiệu chung về phương pháp cắt bằng tia nước và cắt bằng tia nước có hạt mài

a, Phương pháp cắt bằng tia nước

Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nước ở

áp suất cao để gia công vật liệu, thích hợp cho việc cắt nhựa, thực phẩm, cao su,

vải,…Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt được là 1,5mm Phương pháp này còn được gọi là gia công bằng thuỷ động lực học

b, Phương pháp cắt bằng tia nước có hạt mài

Phương pháp cắt bằng hạt mài về nguyên lý cơ bản cũng giống như cắt bằng tia nước, tuy nhiên để tăng khả năng cắt các vật liệu cứng và giòn như thủy tinh, vật liệu composite… người ta thêm vào trong nước những hạt mài

1.3.2.2 Quá trình cắt kính bằng tia nước có hạt mài

a, Nguyên lý:

Nguyên lý của phương pháp này cũng như gia công tia nước nhưng khác ở chỗ

là trong quá trình hình thành tia nước áp suất cao thì cho thêm vào dòng hạt mài Vận tốc rất cao của dòng tia khi đi qua lỗ phun sẽ tạo chân không để hút các hạt mài từ ống chứa hạt mài, sau đó, hạt mài sẽ trộn với nước trong ống trộn Sau đó nước có trộn hạt mài được dẫn hướng bởi đầu cắt tiếp tục được phun ra ngoài qua ống chuẩn trực Dưới

áp suất cao, mỗi hạt mài đóng vai trò như một lưỡi dao cắt 1 vết hẹp trên bề mặt vật liệu Việc cấp hạt mài trong quá trình gia công quyết định năng suất gia công

Đối với gia công tia nước có hạt mài, khi thêm những hạt mài vào tia nước sẽ làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung một số thông số và những thông số này phải được điều khiển Những thông số thêm vào cho quá trình là loại hạt mài, cỡ hạt và tốc độ dòng chảy

Các loại vật liệu hạt mài thường được sử dụng là Al2O3, SiO2 và garnet, với cỡ hạt khoảng từ 60 đến 100 Lượng hạt mài được thêm vào trong tia nước xấp xỉ khoảng 0,3kg/phút sau khi thoát ra khỏi vòi phun Đường kính lỗ của vòi phun vào khoảng từ 0,25 ÷ 0,63 mm So với khi gia công bằng tia nước thì kích cỡ vòi phun lớn hơn một chút để có được tốc độ dòng chảy cao hơn và năng lượng nhiều hơn do bên trong nó có chứa hạt mài

Hình 1.10.Mô tả quá trình cắt kính bằng tia nước có hạt mài

Áp suất nước trong gia công bằng tia nước có hạt mài giống trong gia công bằng tia nước, thường từ 100 - 400 MPa, tốc độ tia nước từ 400 - 1000m/s Khoảng cách cho phép thấp, khoảng 0,8 đến 1,6mm, để giảm đến mức tối thiểu sự phân tán của dòng chất lỏng cắt có chứa những hạt mài

b, Các bộ phận chính của thiết bị

Các bộ phận chính của một thiết bị gia công tia nước có hạt mài bao gồm

- Bộ lọc: làm sạch nước để tăng tuổi thọ hệ thống

- Bộ tăng áp: tăng áp lực của nước

- Bộ phận phân phối nước: đường ống, khớp nối và các bộ phận phân phối nước tăng áp

- Đầu trộn: trộn nước áp lực cao và hạt mài

- Đầu cắt: dẫn hướng tia nước

- Giàn máy NC: định vị đầu cắt

- Bộ phận thu gom nước đã phun

c, Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình cắt:

- Áp suất tia nước (20,000 - 60,000 PSI hay 1300 – 4000 bar)

- Đường kính tia nước

- Tốc độ của dòng tia lên đến 1950 m/ph

- Độ xa

- Tốc độ nạp hạt mài

- Tốc độ cắt từ 25 - ÷ 130mm/ph Tốc độ cắt càng lớn thì chất lượng bề mặt càng tốt

d, Khả năng công nghệ:

- Chiều rộng vết cắt điển hình là 0,76mm và có thể lớn hơn

- Tầm ảnh hưởng của dòng tia lên đến 200mm Áp suất bắt đầu hạ xuống sau 25mm

- Độ chính xác phụ thuộc vào loại máy được sử dụng Loại máy lớn với đầu phun dịch chuyển trên khung đạt độ chính xác ±0,38mm Các máy cỡ trung có thể độ chính xác ±0,127mm Các máy hiện đại hiện nay có thể đạt độ độ chính xác

- Không gây rung động và không tạo hiệu ứng nhiệt tại vết cắt

- Có khả năng tự động hóa và người máy hóa rất cao

- Thích ứng với hệ thống CAD/CAM

- Gia công đạt độ chính xác cao

- Ít lãng phí chất thải sau gia công

 Nhược điểm:

- Kết cấu máy phức tạp, giá thành cao

- Khi cắt các tấm kính dày, phần đáy vết cắt thường bị loe

- Không thích hợp để cắt các loại kính tôi

1.3.3 Phương pháp cắt kính sử dụng lưỡi cắt kim cương

1.3.3.1 Nguyên lý chung

Đây là phương pháp thông dụng nhất để cắt 1 tấm kính, bằng cách tạo nên 1 vết cắt sử dụng 1 bánh xe cứng lăn không trượt trên bề mặt của nó, sau đó tách tấm kính bằng cách bẻ gẫy vết cắt đó Một lưỡi cắt bằng kim cương (hoặc bằng cacbit) lăn tròn trên bề mặt tấm kính dưới tải trọng sinh ra bởi đầu cắt sẽ nén một cách đàn hồi lên bề mặt kính và sinh ra miền ứng suất trên tấm kính, ở phía dưới vùng lưỡi cắt tác dụng Miền ứng suất này gây ra sự đứt gẫy lan dần vào phía trong lớp kính Khi lưỡi cắt chuyển động trên bề mặt tấm kính, các vết đứt gẫy dạng bậc sẽ xuất hiện một cách đều đặn, gây nên sự phân tách ban đầu bên trong tấm kính Trong số các vết đứt gẫy này, luôn tồn tại một vết nứt nằm ở chính giữa có chiều sâu lớn nhất và có vai trò quyết định đến quá trình cắt kính: vết nứt trung tâm càng sâu thì quá trình tách tấm kính càng

dễ dàng và chất lượng vết cắt càng tốt

Do lưỡi cắt luôn quay xung quanh một trục nằm ngang, nên để tránh gây vỡ lưỡi cắt và vỡ tấm kính, trong suốt quá trình cắt nó phải được lái sao cho hình chiếu của nó lên bề mặt gia công luôn trùng với phương tiếp tuyến của quỹ đạo cắt tại điểm tiếp xúc Quá trình cắt kính bằng lưỡi cắt kim cương hoặc hợp kim cứng phụ thuộc nhiều yếu tố như máy, dụng cụ cắt, vật liệu gia công v.v Các vấn đề này sẽ được đề cập cụ thể hơn ở chương sau

1.3.3.2 Ưu nhược điểm của phương pháp

- Phải sử dụng dung dịch cắt, thường độc và có hại với môi trường

- Tốn kém chi phí và nguyên công cho quá trình làm sạch tấm kính thành phẩm

- Không cắt được các loại kính nhiều lớp và kính tôi

Nhận xét đánh giá: Trong chương I này, ta đã đề cập đến những ứng dụng của kính

tấm trong xây dựng, đồng thời đề cập đến hai hình thức cắt kính: bằng tay và bằng máy So sánh hai hình thức này, có thể thấy cắt kính bằng tay cũng có một số ưu điểm thích hợp với quá trình cắt kính quy mô nhỏ, còn cắt kính bằng máy thích hợp với sản xuất quy mô lớn với nhiều đặc tính ưu việt mà hình thức cắt kính bằng tay không thể đáp ứng Ngoài ra, chương này cũng đề cập đến 3 phương pháp cắt kính phổ biến trên

thế giới về các vấn đề: nguyên lý và ưu nhược điểm của từng phương pháp Cả 3

phương pháp này đều có thể được ứng dụng để chế tạo các thiết bị cắt kính bằng tay hoặc bằng máy Tuy nhiên, để chế tạo máy thì việc ứng dụng phương pháp cắt kính bằng lưỡi cắt kim cương là phù hợp nhất với điều kiện thực tế ở Việt Nam nói chung

và tại phân xưởng sản xuất nói riêng, do phương pháp này đòi hỏi kết cấu máy đơn giản hơn so với 2 phương pháp kia mà giá thành cũng rẻ hơn nhiều Do vậy, ta chọn

phương án thiết kế máy dựa trên phương pháp cắt kính sử dụng lưỡi cắt kim cương

Chương sau sẽ tìm hiểu kỹ hơn về phương pháp này

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP CẮT KÍNH SỬ DỤNG LƯỠI CẮT KIM CƯƠNG

Ở chương trước ta đã đề cập một cách tổng quát đến phương pháp cắt kính sử dụng lưỡi cắt kim cương, ở chương này sẽ đi sâu nghiên cứu một cách cụ thể phương pháp này về các vấn đề sau:

- Các yếu tố cơ bản trong quá trình cắt

- Các chỉ tiêu chất lượng

- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt

2.1 Các yếu tố cơ bản trong quá trình cắt

Phần này đề cập đến các yếu tố cơ bản thường gặp trong quá trình cắt kính bằng lưỡi cắt kim cương, bao gồm:

- Ảnh hưởng của các thông số hình học của lưỡi cắt

- Miền làm việc của lưỡi cắt

2.1.1 Chiều sâu cần thiết của vết nứt

Khi di chuyển trên bề mặt tấm kính, bánh xe lăn tròn sẽ tạo nên 1 vết cắt, vết cắt này sinh ra trên chiều dày tấm kính các vết nứt dạng bậc Trong số các vết nứt này,

có một đường cơ bản rõ nét nhất nằm sâu nhất ở chính giữa, khoảng cánh từ bề mặt

tấm kính đến đường cơ bản đó được gọi là chiều sâu vết nứt

Hình 2.1.Sự xuất hiện vết nứt

1- Lưỡi cắt; 2- rãnh chứa phoi; 3- vết nứt; 4- tấm kính;

c- chiều sâu vết nứt;α- góc sắc

2.1.3 Hiện tƣợng phục hồi vết nứt

Hai rãnh thoát phoi ở hai bên vết cắt khi chứa đầy phoi sẽ tạo nên hiệu ứng nêm khiến cho bề mặt tấm kính xung quanh vết cắt ở trong trạng thái bị kéo Điều này có tác dụng tốt cho sự mở rộng vết cắt, kể cả khi tách tấm kính hay trong quá trình cắt Dưới tác dụng của tải trọng, lưỡi cắt có xu hướng chuyển động xuống đẩy phoi trồi lên trên, khi phoi trồi lên tới bề mặt tấm kính nó sẽ bị văng đi Nếu phoi sắp xếp bên trong rãnh thoát phoi một cách lỏng lẻo, hiệu ứng nêm sẽ không xuất hiện, đồng nghĩa với ứng suất kéo cũng không xuất hiện, và vết nứt được giữ nguyên Hiện tượng này gọi là

sự phục hồi vết nứt

2.1.4 Ứng suất dƣ

Khi vết nứt được hình thành, một vết cắt sẽ xuất hiện theo sau lưỡi cắt giống như

sự lan rộng của vết nứt trên bề mặt của tấm kính Mặc dù thủy tinh là một vật liệu giòn tuy nhiên vẫn tồn tại tính đàn hồi Vì lý do này, với những tấm thủy tinh được tôi sau khi tạo hình, bên trong nó xuất hiện ứng suất dư có lợi Do tác dụng của ứng suất

dư, trong khi lớp bên trong chịu ứng suất kéo, các lớp bề mặt của tấm kính lại chịu ứng suất nén, có chiều sâu về mỗi bên lên đến 18-22% bề dày của toàn bộ tấm kính Điều này sẽ làm tăng cơ tính của tấm kính lên nhiều lần nhưng cũng khiến cho việc cắt kính trở nên khó khăn hơn, do tác dụng của hiệu ứng chêm bị hạn chế

2.1 5 Sự mở rộng vết cắt

Để mở rộng vết cắt, người ta khiến cho bề mặt tấm kính chịu ứng suất kéo bằng cách cung cấp một mômen uốn xung quanh đường dấu đó Trong quá trình làm gãy tấm kính, mômen uốn được cung cấp cho suốt chiều dài đường cắt, còn trong hành trình cắt, dưới tác dụng của tải trọng, mômen uốn chì được cung cấp ở 1 đầu của vết cắt, khi đó vết sẽ được mở rộng dần dần từ đầu này tới đầu kia Trong cả hai trường hợp, để đảm bảo toàn bộ bề mặt tấm kính chịu ứng suất kéo, chiều sâu vết nứt phải đạt khoảng một nửa chiều sâu lớp kính chịu ứng suất nén, tương đương 8 đến 10% bề dày

tấm kính Khi chiều dày tấm kính tăng, chiều sâu lớp kính bị nén cũng tăng, và tất nhiên, chiều sâu yêu cầu của vết nứt khi cắt cũng phải tăng theo

2.1.6 Miền tiếp xúc, miền áp lực làm việc và ảnh hưởng của các thông số lưỡi cắt

Như đã đề cập ở trên, khi lưỡi cắt chuyển động sẽ nén đàn hồi lên bề mặt tấm kính trên một miền tiếp xúc xung quanh vết cắt Lực cắt tác dụng lên miền tiếp xúc nhỏ sẽ sinh ra áp suất lớn và miền ứng suất nhỏ sẽ gây nên vết nứt nông Bằng cách tăng diện tích miền tiếp xúc, ta có thể tạo nên miền ứng suất lớn hơn dẫn tới tạo được vết nứt sâu hơn Người ta nhận thấy đường kính của lưỡi cắt quyết định chiều dài của miền tiếp xúc còn góc sắc của lưỡi cắt sẽ quyết định chiều rộng của miền tiếp xúc Tăng đường kính lưỡi cắt và tăng góc sắc của nó lên có thể tăng chiều sâu của vết nứt lên tương ứng

Đối với bất kì lưỡi cắt nào cũng đều có một khoảng áp lực làm việc nhất định, bắt đầu tại giá trị áp lực vừa đủ để sinh ra vết nứt có chiều sâu đủ để bẻ gãy tấm kính

và kết thúc tại giá trị áp lực sinh ra vết nứt sâu nhất nhưng đủ để không gây hỏng vết cắt Nói chung, lưỡi cắt có góc sắc lớn sẽ có khoảng làm việc lớn hơn lưỡi cắt có góc sắc nhỏ, và lưỡi cắt có đường kính lớn cũng có khoảng làm việc lớn hơn so với lưỡi cắt có đường kính nhỏ Đối với các sản phẩm có chất lượng thấp, áp lực làm việc của lưỡi cắt thường ở mức thấp, do đó vết nứt sinh ra nông, còn các sản phẩm chất lượng cao thường sâu hơn do áp lực làm việc của lưỡi cắt ở giá trị cao hơn

Nhận xét: Từ những kết quả nghiên cứu về các yếu tố trên, người sử dụng có thể

lựa chọn lưỡi cắt phù hợp với mục đích sử dụng và yêu cầu chất lượng của sản phẩm Ứng với mỗi giá trị góc sắc cũng như bề dày của tấm kính, có thể có một hoặc nhiều giá trị đường kính lưỡi cắt để lựa chọn Thông thường trong các tiêu chuẩn, góc sắc được chọn sao cho lưỡi cắt khi ở giá trị áp lực bắt đầu miền làm việc có thể tạo ra được vết nứt có chiều sâu từ 8-10% bề dày tấm kính tương ứng Có thể thấy rằng, do sự khác nhau của các điều kiện biên như độ cứng, các thông số thiết lập chế

độ cắt, v.v… nên việc chọn áp lực cụ thể trong từng quá trình cắt sẽ do người thợ quyết định, miễn là giá trị đó nằm trong miền áp lực làm việc của lưỡi cắt

2.2 Các chỉ tiêu chất lượng

2.2.1 Yêu cầu chất lượng vết cắt:

Một vết cắt đạt yêu cầu phải đảm bảo không có sự tróc vảy hay vết nứt vỡ Đáy của vết nứt phải đảm bảo phản chiếu tốt ánh sáng và vết nứt phải có chiều sâu đồng đều

2.2.2 Yêu cầu chất lượng mặt cắt sau khi tách

Việc kiểm tra mặt cắt của tấm kính sau khi tách có thể cho thấy chất lượng của quá trình tạo ra nó Mặt cắt của tấm kính phải là một mặt phẳng và vuông góc với bề mặt tấm kính Chiều sâu của vết nứt cũng không nên lớn hơn chiều sâu cần thiết tối thiểu và phải đồng đều Các rãnh thoát phoi ở hai bên vết cắt cũng phải nhỏ nhất có thể Ngoài ra trên mép vết cắt không được xuất hiện dấu hiệu của sự va đập giữa lưỡi cắt và bề mặt tấm kính

Các sự sai hỏng của mặt cắt phát sinh trong quá trình cắt thường được tập trung hoặc xuất phát tại bề mặt trên của tấm kính Còn phần lớn các sự sai hỏng mặt cắt phát sinh trong quá trình tách tấm kính lại tập trung ở bên dưới đáy của vết nứt, tức là tại phần kính bị bẻ gãy bởi ứng suất uốn trong quá trình tách

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt

Mỗi bộ các thông sơ được thiết lập cho quá trình cắt được xem như một hệ thống, trong đó mỗi thành phần của hệ thống có ảnh hưởng đến việc vận hành nó Do

đó, việc xem xét ảnh hưỡng của mỗi thành phần có thể giúp tạo nên một hệ thống hợp

lí, đem lại hiệu quả tốt nhất Phần này sẽ đề cập đến 8 vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng vết cắt:

- Độ cứng vững của hệ thống công nghệ

- Kết cấu hệ thống lưỡi cắt

- Áp lực của đầu cắt và các thông số hình học của lưỡi cắt

- Chế độ gia công tinh lưỡi cắt

Trong mọi quá trình cắt kính, thì hệ thống bệ đỡ luôn là điều không thể thiếu

Hệ thống này vừa nâng đỡ tấm kính vừa giữ chặt nó, nhờ đó tăng độ cứng vững cho tấm kính và ngăn không cho nó bị xê dịch trên bàn máy dưới tác dụng của tải trọng sinh ra bởi đầu cắt Điều này cực kỳ quan trọng trong việc gia công những tấm kính mỏng

Một yếu tố quan trọng khác là độ cứng vững của giá đỡ đầu cắt Một giá đỡ đầu cắt đủ cững vững có tác dụng ngăn không cho đầu cắt bị đẩy ngược trở lên dưới tác dụng của phản lực gây ra bởi tải trọng do đầu cắt

Sự kết hợp của bệ đỡ chắc chắn bên dưới tấm kính và một giá đỡ đầu cắt cứng vững sẽ tạo ra một vết nứt có chiều sâu xác định được ứng với mỗi giá trị tải trọng Nếu như cả hai yếu tố trên đều không được đảm bảo, thì chất lượng của vết cắt sẽ không đạt yêu cầu

Trong tất cả các trường hợp, đầu cắt được gắn ở một độ cao hợp lí đến tấm kính Khi cắt, đầu cắt được đẩy xuống tiếp xúc với tấm kính, đồng thời trục của lưỡi cắt luôn đươc điều chỉnh sao cho lưỡi cắt luôn ở phương tiếp tuyến với quỹ đạo Nếu giá đỡ đầu cắt không đủ cứng vững, đầu cắt bị đẩy ngược lên phía trên, lưỡi cắt có thể không còn ở phương vuông góc với tấm kính Khi đó, trong quá trình nội suy, góc quay của lưỡi cắt không đủ để đảm bảo nó luôn ở phương tiếp tuyến của quỹ đạo, dẫn tới vỡ lưỡi cắt và vết cắt bị hỏng

2.3.2 Kết cấu hệ thống đầu cắt

Hệ thống lưỡi cắt bao gồm các cụm chi tiết chuyển động lên xuống, chuyển

động quay và các chi tiết tạo ra áp lực cắt Một kết cấu điển hình thường được sử dụng bao gồm một giá đỡ được gắn chặt vào đầu của cơ cấu tạo áp lực (thường là xi lanh khí nén) Một trục được lắp bên trong giá đỡ này bằng các ổ bi, và có khả năng quay bên trong giá đỡ Một đầu kia của trục được gắn với lưỡi cắt Áp lực sinh ra bởi xilanh khí nén được truyền tới lưỡi cắt thông qua giá đỡ và trục Thông thường sự quay của trục bên trong giá đỡ được điều khiển để đảm bảo lưỡi cắt luôn tiếp tuyến với quỹ đạo cắt

Hình 2.2.Kết cấu hệ thống đầu cắt thông dụng

Để lưỡi cắt tạo được các vết cắt trên tấm kính thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng và tính đồng nhất, thì nó phải đảm bảo được hai yêu cầu sau: quay và tạo vết trên bề mặt tấm kính Hệ thống lưỡi cắt được thiết kế để đảm bảo 2 chức năng này, cũng như đảm bảo giữ cho lưỡi cắt luôn thẳng góc với tấm kính Chỉ cần một trong 3 điều kiện này không đảm bảo sẽ dẫn tới vết cắt không đạt yêu cầu hoặc tệ hơn, gây hỏng tấm kính và lưỡi cắt:

- Trong quá trình cắt, lưỡi cắt thực hiện 2 chuyển động: lăn không trượt trên bề mặt tấm kính và chuyển động quay xung quanh trục thẳng góc với tấm kính Chuyển động lăn không trượt có tác dụng làm giảm ma sát, giảm sự mẻ mép cắt, tăng tuổi thọ của lưỡi cắt và tăng hiệu suất của quá trình cắt Trong khi đó chuyển động quay quanh trục thẳng góc với tấm kính nhằm đảm bảo cho lưỡi cắt luôn nằm theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo cắt Nếu điều này không đảm bảo, có thể gây vỡ lưỡi cắt

- Như đã nói ở trên, để có thể tách được tấm kính sau khi cắt thì vết nứt sinh ra phải đạt độ sâu xấp xỉ một nửa chiều sâu lớp kính chịu ứng suất dư nén, do đó nếu áp lực sinh bởi xilanh khí nén không đủ lớn, vết nứt sinh ra không đạt độ sâu cần thiết và không thể tách được tấm kính Giá trị của áp lực này phụ thuộc

cơ tính và chiều dày tấm kính, độ cứng, đường kính và góc sắc của lưỡi cắt

- Nếu trong khi cắt, vì một lí do nào đó lưỡi cắt bị nghiêng so với phương thẳng góc tấm kính, thì trục quay của nó không còn nằm trong mặt phẳng lưỡi cắt nữa Điều này dẫn đến góc quay của lưỡi cắt bị sai lệch khiến cho nó không giữ được phương tiếp tuyến với quỹ đạo cắt Ngoài việc có thể gây vỡ lưỡi cắt, việc lưỡi cắt bị nghiêng còn khiến cho miệng vết cắt phát triển không đều, bề mặt vết cắt không vuông góc với bề mặt tấm kính

2.3.3 Áp lực của đầu cắt và các thông số hình học của lƣỡi cắt

Các khiếm khuyết bề mặt của một vật liệu giòn dẫn đến sự nứt gẫy của nó xuất hiện dưới ứng suất kéo sinh ra bởi tải trọng nhỏ hơn nhiều so với tải trọng lý thuyết Điều này cũng xảy ra khi cắt kính bằng lưỡi cắt bánh xe kim cương Khi bánh xe với lưỡi cắt hình chữ V di chuyển trên bề mặt tấm kính mẫu dưới tác dụng áp lực, nó tạo

ra một rãnh mà từ đó vết gẫy phát triển dần vào trong tấm kính làm giảm độ bền uốn của tấm kính dọc theo vết cắt Các thông số của rãnh và vết cắt phụ thuộc vào đường kính và góc nghiêng α của lưỡi cắt, áp lực nén P và cấu trúc của tấm kính

Lưỡi cắt là “trái tim” của mọi quá trình cắt kính Lưỡi cắt có tác dụng truyền

áp lực từ đầu xilanh đến đường đỉnh của nó và tiếp xúc với tấm kính sao cho áp lực

đó được phân bố đều trên miền tiếp xúc Vật liệu chế tạo lưỡi cắt thường dùng là kim cương hoặc cácbit vonfram Lưỡi cắt bằng vật liệu này bền hơn, độ cứng cao hơn và

có tuổi thọ lâu hơn lưỡi cắt làm từ các vật liệu khác Khi sử dụng lưỡi cắt này để gia công cũng cho chất lượng vết cắt và bề mặt sản phẩm cao hơn các vật liệu khác

Lưỡi cắt được chế tạo với độ chính xác cao với tất cả các bề mặt đều được mài tinh Tất cả kích thước được khống chế trong miền dung sai nhất định, và các bề mặt phải đảm bảo các yêu cầu về sai lệch hình học trong mức cho phép:

- Hai bề mặt bên đảm bảo độ phẳng và độ song song với nhau

- Bề mặt lỗ lắp trục đảm bảo độ vuông góc với hai bề mặt bên

- Đường đỉnh của lưỡi cắt đảm bảo độ đồng tâm với hai lỗ lắp trục

- Đường đỉnh của lưỡi cắt phải đảm bảo trùng với mặt phẳng trung bình của bề dày lưỡi cắt Nhờ đó góc sắc luôn đảm bảo đối xứng và bằng nhau ở mọi mặt cắt đi qua trục

- Ở bước gia công cuối cùng, lưỡi cắt được mài để đảm bảo độ bóng

Trục của lưỡi cắt phải được mài vô tâm để lưỡi cắt có thể quay dễ dàng quanh trục

Do lưỡi cắt được lắp vào một con trượt có thể xoay bên trong một giá đỡ (như mục 2

đã đề cập), nên để điều chỉnh phương của lưỡi cắt một cách chính xác, lưỡi cắt phải được lắp ráp sao cho đường tâm của con trượt phải nằm trong mặt phẳng trung bình của bề dày lưỡi cắt

Ảnh hưởng của góc nghiêng lưỡi cắt và áp suất nén đến vết cắt trên một tấm thủy tinh mẫu được thể hiện trong bảng sau (bảng tra của nhà máy cắt kính Quế Võ – Bắc Ninh)

Không xuất hiện vết cắt

Không xuất hiện vết cắt

Không xuất hiện vết cắt

Không xuất hiện vết cắt

Xuất hiện rãnh nhưng không có vết nứt

Xuất hiện rãnh nhưng không có vết nứt

Bắt đầu xuất hiện vết nứt

Bắt đầu xuất hiện vết nứt

Bắt đầu xuất hiện vết nứt

Xuất hiện rãnh nhưng không có vết nứt

Bắt đầu xuất hiện vết nứt

Bắt đầu xuất hiện vết nứt

Bắt đầu xuất hiện vết nứt

Xuất hiện rãnh nhưng không có vết nứt

3 Xuất hiện

phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện vết nứt

Bắt đầu xuất hiện

Bắt đầu xuất hiện

Xuất hiện vết nứt

liên tục vết nứt vết nứt gián đoạn

3,5 Xuất hiện

phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện vết nứt liên tục

Xuất hiện vết nứt liên tục

Xuất hiện vết nứt liên tục

4 Xuất hiện

phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện vết nứt liên tục

Xuất hiện phoi vụn

4,5 Xuất hiện

phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện vết nứt liên tục

Xuất hiện phoi vụn

5 Xuất hiện

phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Xuất hiện phoi vụn

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của góc nghiêng lưỡi cắt và áp suất nén đến vết cắt

Với các góc sắc trên, thì người ta thường sử dụng lưỡi cắt có đường kính vào khoảng 1/8 inch đến 1/2 inch Trong khoảng này thì sự sai khác về chất lượng vết cắt giữa các lưỡi cắt có đường kính khác nhau là không nhiều trong trường hợp áp lực cắt

và góc sắc không đổi

2.3.4 Chế độ gia công tinh lƣỡi cắt

Một số lớn các quá trình công nghệ hiện đại đã được thực hiện để đem lại một lưỡi cắt có chất lượng cao nhất có thể Để lưỡi cắt đạt được độ cứng và độ chính xác yêu cầu, thì việc xác định kích thước tính thể vật liệu, phương pháp mài và vật liệu làm đá mài rất quan trọng Thông thường lưỡi cắt được chế tạo bằng kim cương hoặc cácbit vonfram, cho nên người ta sử dụng đá mài bằng kim cương, với độ hạt tùy thuộc yêu cầu cụ thể của lưỡi cắt Trong quá trình cắt kính, thực tế chỉ có một phần nhỏ của đỉnh lưỡi cắt tiếp xúc và ăn sâu vào bề mặt kính, mặt khác phần này chính là phần giao nhau của 2 cạnh góc sắc của lưỡi cắt, do đó quá trình mài tinh lưỡi cắt cũng