Tiểu luận phương pháp gia công cơ khí

Mục lục Trang giới thiệu chủ đề nghiên cứu: 1.1 giới thiệu lĩnh vực nghiên cứu 1.2 giới thiệu vấn đề nghiên cứu mục đích nghiên cứu 1.3 giới thiệu lịch sử hình thành nguồn phát laser máy cắt tổng quan nghiên cứu: 2.1 tổng quan tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu 2.2 Phần nghiên cứu tác giả trước 2.2.1 nhân tố ảnh hưởng tới kết bề mặt gia công phôi 2.2.2 Nghiên cứu độ nhám bền mặt cắt thép bon thấp 13 2.2.3 chất lượng bề mặt sau cắt laser 15 2.3 Kết luận phần nghiên cứu 18 đề xuất hướng nghiên cứu sử dụng nguồn laser cắt thép bon thấp: 3.1 mục tiêu nghiên cứu 20 3.2 Phương pháp nghiên cứu 20 3.3 Các công cụ cần thiết cho nghiên cứu 20 3.4 Dự kiến kết đạt 22 3.5 hướng phát triển Kết luận: 24 -Các mục tiêu đạt nghiên cứu trước 23 - Các tồn nghiên cứu trước tài liệu tham khảo 24 Lời nói đầu Phương pháp gia công(cắt) kim loại tia laser phương pháp gia cơng đặc biệt mơn khoa học ngành kỹ thuật khí Phương pháp đời nhằm thay giải cho phương pháp gia công truyền thống như:tiện, phay, bào, hàn,chuốt…vì gia cơng truyền thống khơng gia cơng gia công không đạt hiệu kinh tế kỹ thuật vật liệu vật liệu có đặc điểm:độ cứ,độ bền cao,khả chụi mài mòn tốt chụi đựng mơi trương hóa chất… Phương pháp gia cơng đặc biệt có khẳ gia công tất loại vật liệu với tính nào,gia cơng hầu hết chi tiết phức tạp,tiết kiệm nguyên vật liệu, đạt độ xác cao hồn tồn khí hóa tự động hóa Trong tiểu luận khí này, giới thiệu phương pháp gia công lase khả công nghệ đặc điểm kỹ thuật, nhân tố ảnh hưởng, nghiên cứu tác giả trước tác động tới phôi gia công với nguồn lượng đồng thời đưa hướng hạn chết số nhược điểm thông qua thực nghiệm cắt chế độ phù hợp với vật liệu tốt Bài tiểu luận chắn nhiều thiếu xót mong thầy cô giáo bạn bổ xung sửa chữa cho dần hoàn thiện Chúng em xin cảm ơn! 1.Giới thiệu đề tài nghiên cứu 1.1 Giới thiệu lĩnh vực nghiên cứu - Gia cơng khí việc sử dụng cơng cụ máy móc, thiết bị, phơi đề tạo ra chi tiết phù hợp với yêu cầu có nhiều phương pháp gia công khác nhau: hàn ,cắt, dập, đúc … Trong gia cơng cắt gọt phổ biến chiếm khoảng 50-60% khối lượng lao động máy khí chiến 50 % giá thành sản phẩm Hiện có hai phương pháp sử dụng để cắt gọt: phương pháp truyền thống phương pháp gia công tiến tiến - Các phương pháp gia công truyền thống như: Tiện , phay , khoan mài; phương pháp sử dụng dụng cụ cắt chủ yếu dao, đá mài tiếp xúc trực tiếp với phôi lấy phoi Phương pháp áp dụng cách rộng rãi có hiệu nhiên có số hạn chế, ví dụ: gia cơng số vật liệu ( kim cương, kính, hợp kim cứng…) khó khăn khơng thực được, số sản phẩm đặc trưng ngành không gian cơng nghệ cao Từ kỹ sư nghiên cứu phương pháp gia cơng khác hồn tồn với gia cơng truyền thống phương pháp gia công tiên tiến: Sử dụng dạng lượng khác: tia lửa điện, laze, tia nước, tia electron, điện hóa mài mòn điện hóa, sóng siêu âm, tia plasmar… Gia cơng phương pháp tiên tiến sử dụng nhiều nguồn lượng khác để biến đổi phơi thay sử dụng dụng cụ cắt thơng dụng dó có nhiều đặc điểm ưu việt so với phương pháp truyền thống Phương pháp gia công sử dụng tia laze số phương pháp tiên tiến -Nguyên chọn lựa đề tài: số ưu điểm cắt nguồn laser so với phương pháp khác: + Đây phương pháp tiên tiến nên có ưu việt ph ương pháp ti ếp xúc thông thường: Không dùng dụng cụ cắt, không dùng lực cắt, chế độ gia công êm gia cơng khác + Sự xác khả gia công lỗ nhỏ đường cắt chuẩn xác với biến dạng xung quanh vùng gia công +Có khả làm việc mơi trường khơng khí, khí trở, chân,khơng,hoặc chất lỏng hay chất rắn truyền quang, khơng có vấn đề tích điện mơi trường +Cắt vị trí phức tạp,ở vị trí khó tiếp cận, có khả tạo rãnh hẹp +Có khẳ tự động hóa cao.gia cơng đạt độ xác cao, bề mặt phẳng bề mặt phức tạp, thích ứng với hệ thống CAD/CAM => ưu điểm ma phương pháp gia công quan tâm phát triển ngành cơng nghiệp chế tạo mà ngành truyền thống,y học, đo lường …[1] 1.2 Giới thiệu vấn đề nghiên cứu mục đích nghiên cứu  Vấn đề nghiên cứu Phương pháp gia công tia laze sử dụng nguồn lượng laze để gia cơng Tùy theo mức lượng đặc tính tia laze mà ứng dụng khác vd :Tác dụng quang để định vị, tác dụng gia công,tác dụng y tế, sản xuất… Ở ta quan tâm tới lazer gây tác dụng nhiệt ứng dụng việc cắt kim loại Nguồn laser sử dụng làm nguồn lượng cho trình, ứng dụng nhiều kỹ thuật, để tập chung vào ứng dụng cụ thể người ta chia cỏc phng phỏp ct sau: + Phơng pháp đột biến nhiệt: Đây phơng pháp lợi dụng tập trung nhiệt đột ngột điểm nhỏ bề mặt vật cắt liên tục phát triẻn với tốc độ cao (cở m/s), gây nờn gẫy đột biến tạo nên rãnh cắt Phơng pháp thờng dùng cắt vật liệu dòn +Phơng pháp cắt khoan dùng tia laser khoan lổ sâu không sâu, sau bẻ gẫy học Phơng pháp thờng dùng cắt vật liệu dòn +Phơng pháp nóng chảy, đốt cháy thổi: Làm cho vật liệu nóng chảy, cháy sau thổi sản phẩm cháy ,tạo nên rãnh cắt Trong trình nóng chảy đồng thời xảy phản ứng cháy cung cấp nhiệt bổ sung nên lơng tơng đơng tăng lên nhiều (10 lần) so với khoan cắt +Phơng pháp nóng chảy thổi: Nung nóng chảy vùng bị cắt dïng khÝ ¸p st cao thỉi chung khái vïng cắt tạo nên rãnh cắt +Phơng pháp bay hơi: Sư dơng ngn nhiƯt cao, tËp trung lµm cho vËt liệu bay tạo nên rãnh cắt +Phơng pháp cắt nguéi : Dïng laser cã d·i tÇn sè vïng cùc tím có lợng siêu cao để cắt Phơng pháp dùng để cắt vật liệu platic, vi phẩu thuật Chất lợng mép cắt cao [2] Trong ni dung tiểu luận trình bày ảnh hưởng vic ct vt liu s dng phơng pháp nóng chảy thổi: Nung nóng chảy vùng bị cắt dùng khí áp suất cao thổi chỳng khỏi vùng cắt tạo nên rãnh cắt, s dng nghiờn cu vấn đề cắt kim loại sắt bon  Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu nguồn gốc lịch sử hình thành tia lazer - Tìm hiểu cấu tạo nguồn lượng tạo tia laser - Nghiên cứu laze cắt kim loại vật liệu (thép) - nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng bề mặt cắt cắt với tia laser v ới thép bon thấp -Đề suất hướng nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt để gia công sử d ụng nguồn lượng lớn laser cắt vật liệu sắt cácbon so sánh k ết qu ả gia công với phương pháp khác Cần nâng cao hiệu kinh tế, cần có thiết bị hoàn chỉnh Nhất thiết phải nâng cao hiệu suất Ở thiết bị nay, người ta dùng tụ để tích lũy lượng, nguy hiểm đắt tiền Người ta thử nghiệm thiết bị tích lúy lượng khác 4.kết luận: -Các nghiên cứu trước ảnh hưởng tương quan lẫn yếu tố, từ tìm hướng giải vấn đề lượng phù hợp; vật liệu tốt cho phương pháp này; tốc độ phù hợp, đạt suất cao Ảnh hưởng nhám bề mặt gia cơng vật liệu thép dày bon -Những tồn đọng nghiên cứu trước: + nghiên cứu độ nhám bề mặt với thép bon thấp ảnh hưởng lượng tốc độ chưa đề cập tới ảnh hưởng độ dày phản xạ ánh sáng tới yếu tố lượng, tốc độ căt Một số tác động tới bề dày nguồn lượng, độ phản xạ ánh sáng chất liệu: với số vật liệu khả hấp thụ lớn với nguồn lượng độ dày tăng lên làm tốc độ cắt giảm đi, với vật liệu phản xạ lại ánh sáng lớn dù nguồn lượng lớn lượng cung cấp cho vật liệu khơng khơng cắt mà phản lại làm hỏng chi tiết thiết bị phía Tuy nhiên với vật liệu thép thấp bon khả hấp thụ vật liệu tương đối lớn nên ảnh hưởng lớn độ dày vật liệu + chế độ cắt cho loại chi tiết cụ thể mà chung chung cho số loại vật liệu nên chưa đánh giá hết ảnh hưởng yếu tố khác + chưa đặt vấn đề ảnh hưởng nhiệt độ tác động tới chi tiết sau gia công gia công, lượng nhiệt thu từ chùm tia phát ảnh hưởng tới cấu trúc phôi (vùng chịu ảnh hưởng nhiệt) cong vênh, biến đổi tổ chức phơi - thí nghiệm nhằm khắc phục thêm số nhược điểm gia công với thép dày chứa bon, từ đưa hướng giải đề suất xem với chi tiết cho hiệu kinh tế ứng dụng cho sản xuất hàng loạt Tài liệu tham khảo [1] Công nghệ Laser [2] Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường; Các phương pháp gia công đặc biệt; Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2007 [3] Advanced machining processes, Hassan El-Hofy, McGraw-Hill, 2005 [4] Leonard Migliore (Edited), Laser material processing, Marcel Dekker, 1996 [5] [6] Effect of laser cutting parameters on surface quality of low carbon steel (S235), M Zaied b, E Bayraktar a,*, D Katundi a, M Boujelbene b,c, I Miraoui a a MEER, College of Sciences, University of Gafsa, Tunisia b Supmeca/LISMMA-Paris, School of Mechanical and Manufacturing Engineering, France c ENIT, National School of Mechanical Engineering, MA2I, Tunisia* [7] QUALITY ASPECTS OF STEEL PARTS AFTER LASER CUTTING Wojciech ZĘBALA, Andrzej MATRAS Robert KOWALCZYK Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm BÀI THUYẾT TRÌNH NHĨM Các thành viên: Nguyễn Văn Đồn CHỦ ĐỀ : PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG BẰNG TIA LASER MỤC LỤC : I.Khái Niệm Các Tia Laser Đầu Tiên II.Nguyên Lý Gia Công III.Thiết Bị Dụng Cụ IV.Thông Số kỹ Thuật Khả Năng Công Nghệ V.Đặc Điểm Dụng Cụ Page Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser I Nhóm KHÁI NIỆM & CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊN I.1.KHÁI NIỆM: Laser nghĩa trình khuếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng Laser sử dụng dụng cụ phát tia lượng tập trung mạnh mà tương lai gần số lĩnh vực đó, cách mạng kỹ thuật gia cơng kim loại Hiện sử dụng thành công việc gia công siêu tinh, công nghệ hàn điểm nhỏ luyện kim Gia công chùm tia laser trình xử lý nhiệt tia laser dùng làm nóng chảy bốc vật liệu Máy tia laser máy cắt tia sáng hoạt động theo chế độ xung Năng lượng xung khơng lớn, hội tụ chùm tia có đường kính khoảng 0.01 mm phát khoảng thời gian phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia cơng, nung nóng, làm chảy bốc vật liệu Tia sáng gọi tia laze, viết tắt theo tiếng Anh LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) thường dịch nghĩa tiếng việt máy phát lượng tử ánh sáng I.2.MỘT SỐ TIA LASER ĐẦU TIÊN: Tia laser phát minh vào tháng năm 1960 Maiman Nó loại laser hồng ngọc (rắn) Nhiều loại laser phát minh sau laser hồng ngọc – laser uranium phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960), laser khí Helium-Neon Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961, laser bán dẫn Robert Hall phòng thí nghiệm General Electric năm 1962, laser khí CO2 Nd:YAG phòng thí nghiệm Bell năm 1964, laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,… Điều cho thấy nhiều loại tạo laser Để sử dụng gia cơng vật liệu, laser phải có đủ lượng Người ta thường dùng laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG laser Nd-thủy tinh laser excimer Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn cơng suất chùm tia tương đối lớn có kết cấu thuận tiện Page Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser II Nhóm NGUN LÝ GIA CÔNG BĂNG ̀ CHUM ̀ TIA LASER Maý gia công băng ̀ chum ̀ tia laser chế taọ vaò năm 1960, và ngaỳ phương phaṕ naỳ thực có giá trị gia công khi.́ Tư laser là viêt́ tăt́ cać chữ đâù cuả cać tư “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – Sự khuyêt́ đaị anh ́ sang ́ băng ̀ xạ cuả chât́ phong ́ xa.̣ Loaị vâṭ liêụ có thể gia công lam ̀ tư tia laser không phụ thuôc̣ vaò độ daì song ́ Năng lượng cuả chum ̀ tia laser tâp̣ trung vaò phâǹ nhỏ cuả chum ̀ tia laser lam ̀ cho phâǹ vâṭ liêụ đó bay Maý gia công băng ̀ tia laser sử dung ̣ khoan, xẻ ranh, ̃ căt, ́ taọ hinh… ̀ Gia công băng ̀ chum ̀ tia laser là quá trinh ̀ xử lý nhiêṭ đó tia laser dung ̀ lam ̀ nong ́ chaỷ và bôć vâṭ liêu ̣ Nguyên lý hoaṭ dông ̣ cuả chum ̀ tia laser trinh ̀ baỳ hinh ̀ 5.1 Tia laser Hìn h 2.1 Sơ đờ ngun lý hoaṭ đơng ̣ cuả chum ̀ tia laser Môi trường hoaṭ tinh ́ 2.Nguôǹ anh ́ sang ́ kich ́ thich Buông ̀ công ̣ hưởng quang hoc ̣ Gương phan̉ xạ toaǹ phâǹ (độ phan̉ xạ anh ́ sang ́ 100%) Gương phan̉ xạ bań phâǹ suôt́ (độ phan̉ xạ anh ́ sang ́ 50%) Trên hình 2.1 có thể thây ́ mơṭ khơng gian quang hoc̣ Trong không gian naỳ hai phiá là hai kinh ́ phan̉ chiêu(4 ́ và 5) và chung ́ là môi trường hoaṭ tinh ́ (hay laser), nguyên tử môi trường naỳ bị kich ́ thich ́ đeǹ số trang ̣ thaí ôn̉ đinh, ̣ proton phong ́ và hướng vaò truc̣ quang hoccua ̣ ̉ laser Cać proton naỳ va cham ̣ và tiêṕ tuc̣ phong ́ cać proton khac, ́ cać proton naỳ nôí kêt́ về pha cung ̃ về hướng Quá trinh ̀ naỳ tiêp ́ diêñ cho đên ́ cać proton chuyên̉ đông ̣ doc̣ theo truc̣ quang hoc̣ và sau nhiêu ̀ lâǹ phan ̉ xạ cać proton naỳ có đủ lượng để rời khoỉ laserqua kinh ́ số 5, phâǹ coǹ laị bị phan̉ xạ trở laị và tiêṕ tuc̣ quá trinh ̀ nhân Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm Hình 2.3 Căt́ băng ̀ tia laser Page Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm III THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ III.1.Các loại Laser: Có nhiều cách để phân loại Laser, thông thương người ta thương phân loại laser theo vật liệu cấu tạo nên mơi trương hoạt tính chúng Có thể chia laser thành bốn loại sau: laser rắn, laser bán dẫn laser lỏng laser khí *Laser bán dẫn: Mơi trường hoạt tính laser bán dẫn bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali,…) Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hẳn loại laser khác Về lý thuyết, hiệu suất loại laser bán dẫn đạt tới 100% Tuy nhiên, thực tế hiệu suất loại laser đạt đến 70% Việc chế tạo loại laser bán dẫn gặp số khó khăn kỹ thuật, hiệu suất chúng chưa đạt cao Tất nhiên, so với loại laser khác laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5÷7%), laser bán dẫn ưu việt nhiều Tuy vậy, công suất xạ loại laser bán dẫn nhỏ, chưa thể so sánh với loại laser khí hay laser tinh thể khác *Laser rắn: Trong laser rắn mơi trường hoạt tính chất rắn Vật liệu chất rắn kích thích florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc tổng hợp, ytri- nhôm- granat (YAG), Neodim-ytrinhôm- granat (Nd:YAG),… Tạp chất tích cực chứa chất kể thường thành phần đất hiếm, crôm uranium Vật liệu thường dùng hồng ngọc nhân tạo Nhược điểm loại laser rắn hiệu suất thấp, cỡ 5÷7% Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên ứng dụng nhiều lĩnh vực khác thông tin liên lạc, vơ tuyến truyền hình, cơng nghiệp, y tế, quân sự, … *Laser khí: Ưu điểm loại laser khí cơng suất lớn, tính đơn sắc khả định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng chế độ liên tục Dải bước sóng loại laser khí kéo dài tư sóng mm vùng tử ngoại Mơi trường hoạt tính loại laser khí chất khí hay hỗn hợp khí khác Thơng dụng khí ngun tử neon, agon, kripton, xênon, kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, khí phân tử oxyt cacbon, cacbonic, nước, … So sánh với chất rắn chất lỏng, chất khí có mật độ thấp có tính đồng cao, khơng gây khúc xạ luồng ánh sáng tính đồng hướng phát xạ laser chất khí cao Laser excimer laser khí dùng vi gia cơng, gia cơng chất bán Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm dẫn phẫu thuật mắt Chất khí dùng để tạo tia laser hỗ hợp khí trơ với halogen Trong lần phóng điện, ngun tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) halogen (Cl2, F2) tạo thành chất nhị trùng *Laser lỏng: Một hướng phát triển laser laser có mơi trường hoạt tính chất lỏng Có hai loại chất lỏng thường dùng hỗn hợp hữu kim loại chất màu Loại hỗn hợp hữu kim loại chứa số nguyên tố êropi Môi trường hữu đóng vai trò trung gian, nhận lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho nguyên tử êropi Nhược điểm loại laser hữu lỏng mơi trường hoạt tính khơng bền vững, chất hữu bị phân hủy tác động ánh sáng kích thích Gần người ta thay chất hữu chất vô để tránh phân hủy nói Loại laser chất lỏng vơ có cơng suất xạ hiệu suất cao, sánh vai loại laser rắn với hợp chất nêodim Hiện loại laser vơ lỏng cho cơng suất trung bình gần 500 W chế độ xung, chế độ xung đơn với lượng hàng trăm Jun Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen loại chất độc, có hại cho thể người, làm việc với phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp Nói chung, loại laser khác, laser chất lỏng có ưu điểm riêng Điều dễ dàng nhìn thấy việc làm nguội mơi trường hoạt tính đơn giản, phương pháp lưu thơng dòng chất lỏng laser *Laser Gama: Một hướng phát triển laser laser có mơi trường hoạt tính chất lỏng Có hai loại chất lỏng thường dùng hỗn hợp hữu kim loại chất màu Loại hỗn hợp hữu kim loại chứa số nguyên tố êropi Môi trường hữu đóng vai trò trung gian, nhận lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho nguyên tử êropi Nhược điểm loại laser hữu lỏng mơi trường hoạt tính khơng bền vững, chất hữu bị phân hủy tác động ánh sáng kích thích Gần người ta thay chất hữu chất vô để tránh phân hủy nói Loại laser chất lỏng vơ có cơng suất xạ hiệu suất cao, sánh vai loại laser rắn với hợp chất nêodim Hiện loại laser vô lỏng cho cơng suất trung bình gần 500 W chế độ xung, chế độ xung đơn với lượng hàng trăm Jun Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen loại chất độc, có hại cho thể người, làm việc với phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp Nói chung, loại laser khác, laser chất lỏng có ưu điểm riêng Điều dễ dàng nhìn thấy việc làm nguội mơi trường hoạt tính đơn giản, phương pháp lưu thơng dòng chất lỏng laser Về ngun lý chung, laser Gamma làm việc tương tự laser khác Tuy nhiên, tượng vật lý xảy mơi trường hoạt tính loại laser phức tạp nhiều Khả tiềm tàng loại laser lớn nhiên kỹ thuật chế tạo phức tạp, việc ứng dụng chưa phổ biến rộng rãi Nhờ đời Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm laser Gamma, mở rộng dải sóng, tư hồng ngoại bước sóng vài amstrong (Ao) Tuy nhiên tương lai, khó mà nói phương pháp cuối kỹ thuật laser III.2.Cấu tạo máy laser: • • Nguyên lý cấu tạo chung máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn ni hệ thống dẫn quang Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuyếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bật bay theo hướng với photon tới Mặt khác buồng công hưởng có mặt chắn hai đầu, mặt phản xạ tồn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuếc đại lên nhiều lần Tính chất laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, người ta vào hoạt chất để phân loại laser Dưới sơ đồ nguyên lý máy laser Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm Hình 3.1 sơ đồ ngun lý máy laser Page 10 Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm BÀI THUYẾT TRÌNH NHĨM Các thành viên: Nguyễn Văn Đoàn CHỦ ĐỀ : PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LASER MỤC LỤC : I.Khái Niệm Các Tia Laser Đầu Tiên II.Nguyên Lý Gia Công III.Thiết Bị Dụng Cụ IV.Thông Số kỹ Thuật Khả Năng Công Nghệ V.Đặc Điểm Dụng Cụ Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser I Nhóm KHÁI NIỆM & CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊN I.1.KHÁI NIỆM: Laser nghĩa trình khuếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng Laser sử dụng dụng cụ phát tia lượng tập trung mạnh mà tương lai gần số lĩnh vực đó, cách mạng kỹ thuật gia công kim loại Hiện sử dụng thành cơng việc gia công siêu tinh, công nghệ hàn điểm nhỏ luyện kim Gia công chùm tia laser q trình xử lý nhiệt tia laser dùng làm nóng chảy bốc vật liệu Máy tia laser máy cắt tia sáng hoạt động theo chế độ xung Năng lượng xung khơng lớn, hội tụ chùm tia có đường kính khoảng 0.01 mm phát khoảng thời gian phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia công, nung nóng, làm chảy bốc vật liệu Tia sáng gọi tia laze, viết tắt theo tiếng Anh LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) thường dịch nghĩa tiếng việt máy phát lượng tử ánh sáng I.2.MỘT SỐ TIA LASER ĐẦU TIÊN: Tia laser phát minh vào tháng năm 1960 Maiman Nó loại laser hồng ngọc (rắn) Nhiều loại laser phát minh sau laser hồng ngọc – laser uranium phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960), laser khí Helium-Neon Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961, laser bán dẫn Robert Hall phòng thí nghiệm General Electric năm 1962, laser khí CO2 Nd:YAG phòng thí nghiệm Bell năm 1964, laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,… Điều cho thấy nhiều loại tạo laser Để sử dụng gia cơng vật liệu, laser phải có đủ lượng Người ta thường dùng laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG laser Nd-thủy tinh laser excimer Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn cơng suất chùm tia tương đối lớn có kết cấu thuận tiện Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser II Nhóm NGUN LÝ GIA CƠNG BĂNG ̀ CHUM ̀ TIA LASER Maý gia công băng ̀ chum ̀ tia laser chế taọ vaò năm 1960, và ngaỳ phương phaṕ naỳ thực có giá trị gia công khi.́ Tư laser là viêt́ tăt́ cać chữ đâù cuả cać tư “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – Sự khuyêt́ đaị anh ́ sang ́ băng ̀ xạ cuả chât́ phong ́ xa.̣ Loaị vâṭ liêụ có thể gia công lam ̀ tư tia laser không phụ thuôc̣ vaò độ daì song ́ Năng lượng cuả chum ̀ tia laser tâp̣ trung vaò phâǹ nhỏ cuả chum ̀ tia laser lam ̀ cho phâǹ vâṭ liêụ đó bay Maý gia công băng ̀ tia laser sử dung ̣ khoan, xẻ ranh, ̃ căt, ́ taọ hinh… ̀ Gia công băng ̀ chum ̀ tia laser là quá trinh ̀ xử lý nhiêṭ đó tia laser dung ̀ lam ̀ nong ́ chaỷ và bôć vâṭ liêu ̣ Nguyên lý hoaṭ dông ̣ cuả chum ̀ tia laser trinh ̀ baỳ hinh ̀ 5.1 Tia laser Hìn h 2.1 Sơ đờ nguyên lý hoaṭ đông ̣ cuả chum ̀ tia laser Môi trường hoaṭ tinh ́ 2.Nguôǹ anh ́ sang ́ kich ́ thich Buông ̀ công ̣ hưởng quang hoc ̣ Gương phan̉ xạ toaǹ phâǹ (độ phan̉ xạ anh ́ sang ́ 100%) Gương phan̉ xạ bań phâǹ suôt́ (độ phan̉ xạ anh ́ sang ́ 50%) Trên hình 2.1 có thể thây ́ môṭ không gian quang hoc̣ Trong không gian naỳ hai phiá là hai kinh ́ phan̉ chiêu(4 ́ và 5) và chung ́ là môi trường hoaṭ tinh ́ (hay laser), nguyên tử môi trường naỳ bị kich ́ thich ́ đeǹ số trang ̣ thaí ôn̉ đinh, ̣ proton phong ́ và hướng vaò truc̣ quang hoccua ̣ ̉ laser Cać proton naỳ va cham ̣ và tiêṕ tuc̣ phong ́ cać proton khac, ́ cać proton naỳ nôí kêt́ về pha cung ̃ về hướng Quá trinh ̀ naỳ tiêp ́ diêñ cho đên ́ cać proton chuyên̉ đông ̣ doc̣ theo truc̣ quang hoc̣ và sau nhiêu ̀ lâǹ phan ̉ xạ cać proton naỳ có đủ lượng để rời khoỉ laserqua kinh ́ số 5, phâǹ coǹ laị bị phan̉ xạ trở laị và tiêṕ tuc̣ quá trinh ̀ nhân Page Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm proton Khi tia sang ́ đã chiêú xuyên qua kinh ́ phan ̉ chiêu ́ hai đâù thì hinh ̀ ̀ môṭ chum ̀ tia nôí tiêṕ Chum ̀ tia naỳ sẽ qua môṭ thâú kinh ́ hôị tụ để tâp̣ trung lượng taị môṭ điêm, ̉ nêú đăṭ vâṭ câǹ gia công taị tiêu điêm ̉ naỳ thì nhiêṭ độ cuc̣ bộ taị đó có thể lên đêń 8000 C 1ms  Sau là nguyên lý gia công cua ̉ môṭ loaị maý điên ̉ hinh ̀ : - Hình 2.2 chỉ nguyên lý gia cơng tia lazer maý K-3M: Hình 5.2 Nguyên lý gia công chum ̀ tia laser 2)Buông ̀ phan̉ xạ anh ́ sang ́ 3) Đeǹ phat́ xung 4) Thanh hông ̀ ngoc̣ 5) Gương phan̉ xạ toaǹ phâǹ 6) Gương phan̉ xạ 50% 7) Thâú kinh ́ hôị tụ 8) Chi tiêt́ gia công 9) Baǹ gá 10) Tế baò quang điêṇ Page Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm Ngǹ điêṇ cơng nghiêp̣ qua biêń thế và năń dong ̀ nap̣ vaò hệ thông ́ tu.̣ Điêṇ aṕ tôí đa cuả tụ là 2KV để điêu ̀ khiên ̉ phong ́ điên ̣ tới đeǹ phat́ xung đăṭ bộ phâṇ phan̉ xạ anh ́ sang ́ ( tiết diện ngang hình elip) Khi đeǹ phat́ sang ́ ,toaǹ bộ lượng sẽ tâp̣ trung taị vị trí có đăṭ hông ̀ ngoc̣ Những ion Cr+3 cuả hông ̀ ngoc̣ bị kich ́ lên mức lượng cao, tuṭ xuông ́ chung ́ sẽ phat́ lượng tử Nhờ hệ dao đông ̣ cuả cać gương phăng ̉ và 6, lượng tử ̀ sẽ laị nhiêu ̀ +3 lâǹ qua hông ̀ ngoc̣ và kich ́ cać ion Cr khać để rôì cung ̀ phong ́ chum ̀ tia lượng tử Gương có dộ phan̉ xạ anh ́ sang ́ gâǹ 99%, coǹ gương gâǹ 50% Nhờ đo,́ môṭ măṭ ta vân ̃ nhân ̣ chum ̀ tia laser phiá dưới, măṭ khać khoang ̉ 1% chum ̀ tia phat́ qua gương sẽ tế baò quang điêṇ 10 thu laị và qua hệ thông ́ chuyên̉ đôỉ ta biêt́ lượng cuả chum ̀ tia đã phat́ khoỉ may ́ Chum ̀ tia nhâṇ qua gương 6sẽ tâp̣ trung hệ quang hoc̣ và tać dung ̣ lên chi tiêt́ gia công (đăṭ baǹ maý 9) có khả di chuyên̉ toạ độ theo phương X, Y, Z Khi tâp̣ trung tia laser vaò vị trí gia công câǹ choṇ hệ thông ́ quang hoc̣ và chế độ gia công lượng chum ̀ tia tới, thời gian xung tać dung ̣ cuả chum ̀ tia, tiêu cự cuả hệ thông ́ quang hoc̣ và số xung laser sau: Quá trinh ̉ tać dụng cuả chum ̀ tia laser vaò vị trí gia công chia cać giai đoan ̣ + Vâṭ liêụ gia công hut́ lượng cuả chum ̀ tia laser và chuyên̉ lượng naỳ ̀ nhiêṭ + Đôt́ nong ́ vâṭ liêu ̣ gia công tới nhiêṭ độ có thể phá hong ̉ vâṭ liêu ̣ đo.́ Giai đoan ̣ ̀ ứng với quá trinh ̀ truyêǹ nhiêṭ vâṭ răń tuyêṭ đôí bị giới haṇ về môṭ phiá theo phương tać dung ̣ cuả chum ̀ tia kể tư bề măṭ tać dung ̣ … + Phá hong ̉ vâṭ liêu ̣ gia công và ̉ chung ́ khoỉ vung ̀ gia công Giai đoan ̣ ̀ ứng với quá trinh ̀ truyêǹ nhiêṭ mà bề măṭ tać dung ̣ luôn thay đôỉ theo phương tać dung ̣ cuả chum ̀ tia laser + Vâṭ liêụ gia công nguôị dâǹ sau chum ̀ tia laser tać dung ̣ xong Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm Hình 2.3 Căt́ băng ̀ tia laser Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm III THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ III.1.Các loại Laser: Có nhiều cách để phân loại Laser, thông thương người ta thương phân loại laser theo vật liệu cấu tạo nên mơi trương hoạt tính chúng Có thể chia laser thành bốn loại sau: laser rắn, laser bán dẫn laser lỏng laser khí *Laser bán dẫn: Mơi trường hoạt tính laser bán dẫn bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali,…) Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hẳn loại laser khác Về lý thuyết, hiệu suất loại laser bán dẫn đạt tới 100% Tuy nhiên, thực tế hiệu suất loại laser đạt đến 70% Việc chế tạo loại laser bán dẫn gặp số khó khăn kỹ thuật, hiệu suất chúng chưa đạt cao Tất nhiên, so với loại laser khác laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5÷7%), laser bán dẫn ưu việt nhiều Tuy vậy, công suất xạ loại laser bán dẫn nhỏ, chưa thể so sánh với loại laser khí hay laser tinh thể khác *Laser rắn: Trong laser rắn mơi trường hoạt tính chất rắn Vật liệu chất rắn kích thích florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc tổng hợp, ytri- nhôm- granat (YAG), Neodim-ytrinhơm- granat (Nd:YAG),… Tạp chất tích cực chứa chất kể thường thành phần đất hiếm, crôm uranium Vật liệu thường dùng hồng ngọc nhân tạo Nhược điểm loại laser rắn hiệu suất thấp, cỡ 5÷7% Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên ứng dụng nhiều lĩnh vực khác thơng tin liên lạc, vơ tuyến truyền hình, cơng nghiệp, y tế, qn sự, … *Laser khí: Ưu điểm loại laser khí cơng suất lớn, tính đơn sắc khả định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng chế độ liên tục Dải bước sóng loại laser khí kéo dài tư sóng mm vùng tử ngoại Mơi trường hoạt tính loại laser khí chất khí hay hỗn hợp khí khác Thơng dụng khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, khí phân tử oxyt cacbon, cacbonic, nước, … So sánh với chất rắn chất lỏng, chất khí có mật độ thấp có tính đồng cao, khơng gây khúc xạ luồng ánh sáng tính đồng hướng phát xạ laser chất khí cao Laser excimer laser khí dùng vi gia cơng, gia công chất bán Page Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm dẫn phẫu thuật mắt Chất khí dùng để tạo tia laser hỗ hợp khí trơ với halogen Trong lần phóng điện, nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) halogen (Cl2, F2) tạo thành chất nhị trùng *Laser lỏng: Một hướng phát triển laser laser có mơi trường hoạt tính chất lỏng Có hai loại chất lỏng thường dùng hỗn hợp hữu kim loại chất màu Loại hỗn hợp hữu kim loại chứa số nguyên tố êropi Mơi trường hữu đóng vai trò trung gian, nhận lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho nguyên tử êropi Nhược điểm loại laser hữu lỏng mơi trường hoạt tính khơng bền vững, chất hữu bị phân hủy tác động ánh sáng kích thích Gần người ta thay chất hữu chất vô để tránh phân hủy nói Loại laser chất lỏng vơ có cơng suất xạ hiệu suất cao, sánh vai loại laser rắn với hợp chất nêodim Hiện loại laser vô lỏng cho cơng suất trung bình gần 500 W chế độ xung, chế độ xung đơn với lượng hàng trăm Jun Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen loại chất độc, có hại cho thể người, làm việc với phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp Nói chung, loại laser khác, laser chất lỏng có ưu điểm riêng Điều dễ dàng nhìn thấy việc làm nguội mơi trường hoạt tính đơn giản, phương pháp lưu thơng dòng chất lỏng laser *Laser Gama: Một hướng phát triển laser laser có mơi trường hoạt tính chất lỏng Có hai loại chất lỏng thường dùng hỗn hợp hữu kim loại chất màu Loại hỗn hợp hữu kim loại chứa số nguyên tố êropi Mơi trường hữu đóng vai trò trung gian, nhận lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho nguyên tử êropi Nhược điểm loại laser hữu lỏng môi trường hoạt tính khơng bền vững, chất hữu bị phân hủy tác động ánh sáng kích thích Gần người ta thay chất hữu chất vô để tránh phân hủy nói Loại laser chất lỏng vơ có cơng suất xạ hiệu suất cao, sánh vai loại laser rắn với hợp chất nêodim Hiện loại laser vơ lỏng cho cơng suất trung bình gần 500 W chế độ xung, chế độ xung đơn với lượng hàng trăm Jun Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen loại chất độc, có hại cho thể người, làm việc với phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp Nói chung, loại laser khác, laser chất lỏng có ưu điểm riêng Điều dễ dàng nhìn thấy việc làm nguội mơi trường hoạt tính đơn giản, phương pháp lưu thơng dòng chất lỏng laser Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc tương tự laser khác Tuy nhiên, tượng vật lý xảy mơi trường hoạt tính loại laser phức tạp nhiều Khả tiềm tàng loại laser lớn nhiên kỹ thuật chế tạo phức tạp, việc ứng dụng chưa phổ biến rộng rãi Nhờ đời Page Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm laser Gamma, mở rộng dải sóng, tư hồng ngoại bước sóng vài amstrong (Ao) Tuy nhiên tương lai, khó mà nói phương pháp cuối kỹ thuật laser III.2.Cấu tạo máy laser: • • Nguyên lý cấu tạo chung máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn ni hệ thống dẫn quang Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuyếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bật bay theo hướng với photon tới Mặt khác buồng cơng hưởng có mặt chắn hai đầu, mặt phản xạ tồn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuếc đại lên nhiều lần Tính chất laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, người ta vào hoạt chất để phân loại laser Dưới sơ đồ nguyên lý máy laser Page Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm Hình 3.1 sơ đồ nguyên lý máy laser Page 10 ... khảo 24 Lời nói đầu Phương pháp gia công( cắt) kim loại tia laser phương pháp gia cơng đặc biệt mơn khoa học ngành kỹ thuật khí Phương pháp đời nhằm thay giải cho phương pháp gia công truyền thống... lượng lao động máy khí chiến 50 % giá thành sản phẩm Hiện có hai phương pháp sử dụng để cắt gọt: phương pháp truyền thống phương pháp gia công tiến tiến - Các phương pháp gia công truyền thống... được, số sản phẩm đặc trưng ngành không gian công nghệ cao Từ kỹ sư nghiên cứu phương pháp gia cơng khác hồn tồn với gia cơng truyền thống phương pháp gia cơng tiên tiến: Sử dụng dạng lượng khác: